纳米金刚石——量子领域科研利器

2020-03-25 17:33 河南圣叠磨具次阅读

香港中文大学物理系杨森教授与吴瑞权教授携手率领研究团队，利用纳米金刚石中的色心（color center）来研究量子材料在极端条件下的性质。由于色心对磁场非常敏感，这使研究人员能够在低温（高于绝对零度7度）和高压（约数万倍大气压力）的情况下，获得超导体的磁场性质。这项崭新的技术为研究量子材料提供了新的渠道。研究成果已刊登于国际著名学术期刊《科学》杂志，同期另有两篇相关研究由巴黎大学和加州大学伯克利分校发表。

量子材料研究与量子信息科学的耦合

为推进第二次量子革命，加深对量子材料的认识尤为重要。量子材料通常在极低温条件下会展现出一些奇特的性质，例如超导现象等。超导体除了电阻为零外，还会排斥内部的磁场，这种现象叫做迈斯纳效应。这些现象只会在低温条件下发生。如果我们能找到一些材料即使不在低温下也能展现超导性质，将会带来革命性的变化。最近，科学家发现LaH10-δ在相对高温下（约260K/-13°C），大约是地球冬天的温度，依然能够保持超导特性，尽管这个材料需要被加压到两百万倍的大气压力。由此可见，将材料在低温条件下加高压能够改变和调控电子之间的相互作用，从而使我们能够探索量子材料的性质。但是，要将传统的电路放在压力腔内用作磁性测量是一项十分困难的任务。正因如此，杨森教授与吴瑞权教授携手合作，以杨教授在量子测量和量子光学领域的专长，和吴教授在极端物理领域的丰富经验，和希望共同解决眼前这个难题。

色心是一种晶体缺陷，而在金刚石中的色心则能够成为高效的量子传感器件，它极有希望在未来众多的量子科技当中占据重要的一席之地。其中，带负电的氮空位色心（NV-）是最有希望的一种色心。这种色心也是金刚石中最常见的一种缺陷，它使得金刚石略微带有粉色或黄色。这些NV-色心对电场、磁场、力和温度非常敏感，在高压腔下也能精准地测量局域磁场。所以，中大的研究人员想利用NV-色心这个微观量子传感器件来研究材料在高压下的性质。材料会在进入超导态时具有完全抗磁性从而排斥所有内部的磁场。利用这一点，研究人员通过金刚石颗粒（约1微米）和NV-色心的特性，将超导体附近的磁场精确地测量出来。中大研究组巧妙的利用NV色心的特性，不仅测出了磁场的大小，更是首次在这种极端环境测出了磁场的矢量，更直观的展现了迈斯纳效应。

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对社会的影响

NV-色心除了能够测量磁场外，还能够测量电场和力。所以，这项技术可以用于研究材料的不同性质。最终，我们期望这项技术会更新量子材料现有的设计方案，并且能够得到社会各界的广泛应用。这项崭新的测量技术也能够提升香港计量学和高精度测量界的技术水平。

关于研究团队

杨森教授的团队主要研究固态体系中的量子信息科学，包括量子计算、量子通讯和量子测量。其团队利用NV-色心的特性在不同场景下展开应用，包括快速操纵并精确测量自旋态，制作光学量子寄存器用作量子信息处理，建立光量子网络和测量强关联电子体系的超导性质和磁学性质。

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吴瑞权教授的团队主要研究极端条件下强关联电子体系的性质，例如在高压，强场和低温等环境下来研究强关联电子体系（SCES）的组成、磁学性质和电子传导机制。其实验室拥有先进的液氦稀释制冷机和产生强磁场的装置，能够将样品降温至几mK并且对其施加最大达到14T的磁场。这使得团队成员能够测量单晶材料的量子振荡现象和费米面形态。

这次研究使用的高品质单晶样品BaFe2(As,P)2是由京都大学和东京大学的团队所提供。

香港中文大学和大学教育资助委员会资助本研究香港的部分。

三篇文章链接如下：

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