钻石用于量子传感

总结：

研究人员以前所未有的速度测量了微小的磁场。通过使用超快光谱学监测氮空位中心的自旋，这项工作可能会是未来产生非常精确的未来量子计算机的基础。

      University of Tsukuba的科学家演示了如何利用超快光谱学来提高量子传感器的时间分辨率。通过测量金刚石晶格中相干自旋的方向，他们表明即使在很短的时间内也可以测量磁场。这项工作可以促进超高精度测量领域的发展，即量子计量学，以及基于电子自旋的“自旋电子”量子计算机。

      量子传感提供了以纳米分辨率极其精确地监测温度以及磁场和电场的可能性。通过观察这些性质如何影响传感分子内的能级差异，纳米技术和量子计算领域的新途径可能变得可行。然而，由于发光寿命有限，传统量子传感方法的时间分辨率以前被限制在微秒范围内。需要一种新的方法来改进量子传感。

      现在，由University of Tsukuba领导的一个研究小组开发了一种新方法，用于在著名的量子传感系统中实现磁场测量。氮空位（NV）中心是金刚石中的一种特殊缺陷，其中两个相邻的碳原子被一个氮原子和一个空位所取代。这个位置额外电子的自旋状态可以用光脉冲读取或相干操纵。

      “例如，负电荷的NV自旋态可以用作具有全光读出系统的量子磁强计，即使在室温下也是如此，”第一作者Ryosuke Sakurai说。研究小组使用了一种“inverse Cotton-Mouton”效应来测试他们的方法。当横向磁场产生双折射时，就会产生正常的Cotton-Mouton效应，双折射可以将线偏振光变为椭圆偏振。在这个实验中，科学家们做了相反的事情，用不同偏振的光来产生微小的受控局部磁场。

      作者Muneaki Hase和他的同事Toshu An表示：“利用非线性光磁量子传感，可以测量具有高时空分辨率的先进材料中的局部磁场或自旋电流。”该团队希望，这项工作将有助于使量子自旋电子学计算机成为敏感的自旋态，而不仅仅是像当前计算机那样的电荷。这项研究还可能使新的实验能够观察磁场的动态变化，甚至在实际设备操作条件下观察单个自旋。

图：测量的光学装置。

[1] Ryosuke Sakurai, Yuta Kainuma, Toshu An, Hidemi Shigekawa, Muneaki Hase. Ultrafast opto-magnetic effects induced by nitrogen-vacancy centers in diamond crystals. APL Photonics, 2022; 7 (6): 066105 DOI: 10.1063/5.0081507