中国科学技术大学教授王亚等与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室合作,首次实现噪声环境下纠缠增强的纳米尺度单自旋探测。相关研究成果日前在线发表于国际期刊《自然》。

自旋是电子的一个基本属性。探测单个自旋,不仅能为理解物性提供全新视角,更可以为发展单分子磁探测技术和推进量子科技奠定坚实基础。然而,由于物质中含有大量自旋,对单个自旋的探测相当于在喧闹的体育场中清晰捕捉某个人的窃窃私语,对探测技术提出了前所未有的挑战。

因具备纳米级的分辨能力和高灵敏的磁探测能力,金刚石氮—空位色心量子传感器一直是实现单自旋探测的重要技术途径。理论上,量子纠缠是突破单自旋探测瓶颈的可能途径,它能将探测精度逼近量子力学所允许的极限。研究团队通过材料制备与量子操控两条路径的协同创新,首次成功开发出纠缠增强型纳米单自旋探测技术,在固态体系中实现了微观磁信号灵敏度与空间分辨率的同步提升,为纳米尺度量子精密测量技术的持续发展铺平道路。

在材料制备上,研究团队利用自主研发的超纯金刚石生长与纳米精度定点掺杂技术,成功制备出间距小至5纳米的氮—空位色心对结构。在探测方法上,研究团队创造性地将一对色心制备成一种特殊的量子纠缠态。这种状态让它们能“无视”来自远端的相同背景噪声,同时协同聚焦并放大近端目标单自旋的独特信号。该策略成功解决了信号放大与噪声干扰之间长期存在的矛盾,将探测单个自旋的空间分辨率提升了1.6倍。

中国科学技术大学供图

研究人员表示,这项成果不仅通过实验验证了量子纠缠在纳米尺度传感中的优势与潜力,也展示了金刚石量子传感器能够作为强大的纳米磁强计,为在原子层面研究量子材料打开新窗口,将为凝聚态物理、量子生物学和化学等领域提供革命性研究工具。

(原载于《科技日报》 2025-12-04 06版)