InfoMat:新型色心体系助力基础科学发现

金刚石中的负电荷氮空位(nitrogen-vacancy, NV)中心由于在量子和纳米科学技术中的多面手角色引起了广泛关注。虽然这些点缺陷系综的电学和光谱学特性已经得到很好的研究,但在将其应用到固态自旋控制方面的突破是最近才实现的。通过光学手段,该技术可以检测单色心的磁共振强度,氮空位色心成为了最精确的纳米级磁强计。这种新技术正在对各种学科产生深刻影响:从高压超导到二维材料中的电-声过程的观测等。结合基片处理和动态解耦技术,NV色心自旋相干时间有了巨大的飞跃,现在接近一秒。这种长相干性使一方面推动了量子力学的新测试,包括首次对loophole-free贝尔不等式违背的证明等。

近10年来,研究人员开始研究更多的色心系统,碳化硅(SiC)由于其本征良好的相干特性、高光学稳定性以及发射均一性而成为合适的宽带隙空位中心寄主。随后,在低温下,研究人员发现了包含IV族原子的中心对称型金刚石缺陷具有窄带光发射和优良的相干性。这些色心引入了工作波长、自旋和轨道的耦合特性,并使新的科学探索成为可能。

图1. 目前基于金刚石和碳化硅体系的主流金刚石色心体系,空位和缺陷的引入为金刚石体系提供了丰富的光谱学特性。图中给出了对应色心的点群表示:黄色原子为替位原子缺陷,虚线为空位缺陷。

图2. a)用于贝尔不等式测试的分布NV金刚石色心自旋的纠缠; b)利用金刚石针尖搭载单个色心实现skyrmions子的磁成像;c)(从左至右)单个天然疟原虫色素纳米晶的SEM图像,相应的磁显微镜图像,以及用于疟疾研究的模拟磁图像。

基于对色心系统在基础科研方面的研究进展,来自加州大学戴维斯分校的Marina Radulaski等人回顾了点缺陷系统和相关技术,总结了色心在各个领域的突破性研究,并讨论了在物理和地球化学等领域色心跨学科的研究机遇。作者们重点讨论了基于NV色心衍生出的量子光发射与自旋-光子纠缠、以及磁、电、热探测技术等,并介绍了这些技术在基础物理领域的应用,如光子辅助纠缠分布的成像,二维原子级磁性的探测等。在文章的最后,作者们对这些精密技术做了了材料学与相关光电器件的展望如纠缠团簇、高压传感、暗物质探测等。该工作在InfoMat上以题为“Novel color center platforms enabling fundamental scientific discovery”在线发表(https://doi.org/10.1002/inf2.12128)。