二维材料中首次实现核自旋量子位控制

二维材料中首次实现核自旋量子位控制据15日发表在《自然·材料》上的论文，美国普渡大学的研究人员通过使用光子和电子自旋量子位来控制二维（2D）材料中的核自旋，实现了在2D材料中写入和读取带有核自旋的量子信息。他们用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，首次在超薄六方氮化硼中实现了对核自旋量子位的实验控制。该研究工作拓展了量子科学和技术的前沿，使原子尺度的核磁共振光谱等应用成为可能。研究人员表示，这是第一个展示2D材料中核自旋的光学初始化和相干控制的工作。自旋量子位可以被用作传感器，例如探测蛋白质结构，或者以纳米级分辨率探测目标的温度。捕获在3D金刚石晶体缺陷中的电子能产生10—100纳米范围的成像和传感分辨率，而嵌入在单层或2D材料中的量子位可更接近目标样本，提供更高的分辨率和更强的信号。为实现这一目标，2019年，六方氮化硼中的第一个电子自旋量子位诞生。此次，研究团队在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之间的界面。核自旋可以通过周围的电子自旋量子位进行光学初始化——设置为已知的自旋。一旦被初始化，就可以用无线电频率来改变核自旋量子位，本质上是“写入”信息，或者测量核自旋量子位的变化，即“读取”信息。他们的方法一次利用3个氮原子核，其相干时间是室温下的电子量子位的30多倍。2D材料可以直接层叠在另一种材料上，从而形成一个内置的传感器。研究人员表示，2D核自旋晶格适用于大规模的量子模拟。它可在较高的温度下工作。为控制核自旋量子位，研究人员首先从晶格中移除一个硼原子，并用一个电子取代它。电子位于3个氮原子的中心。每个氮核都处于随机自旋态，可以是-1、0或+1。研究人员用激光将电子泵浦到自旋态为0，这对氮核的自旋影响可忽略不计。最后，受激电子与周围的3个氮核之间的超精细相互作用迫使原子核的自旋发生变化。当循环重复多次时，原子核的自旋达到+1状态，无论重复相互作用如何，它都保持不变。当所有3个原子核都设置为+1状态时，它们就可用作3个量子位。PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1304905.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1304905.htm

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性

剑桥科学家在新型二维材料中实现了长期追求的量子态稳定性卡文迪什实验室的研究人员在六方氮化硼（hBN）中发现了原子缺陷在环境条件下的自旋相干性，这是量子材料领域的一项罕见成就。这项发表在《自然-材料》（NatureMaterials）上的研究强调，这些自旋可以用光来控制，对未来的量子技术（包括传感和安全通信）具有广阔的前景。研究结果还强调了进一步探索提高缺陷可靠性和延长自旋存储时间的必要性，凸显了氢化硼在推进量子技术应用方面的潜力。资料来源：埃莉诺-尼科尔斯，卡文迪什实验室自旋相干性是指电子自旋能够长期保持量子信息。这一发现意义重大，因为能够在环境条件下承载量子特性的材料相当罕见。发表在《自然-材料》（NatureMaterials）上的研究结果进一步证实，室温下可获得的自旋相干性比研究人员最初想象的要长。论文共同作者、卡文迪什实验室Rubicon博士后研究员CarmemM.Gilardoni说："研究结果表明，一旦我们在这些电子的自旋上写入某种量子态，这种信息就能存储约百万分之一秒，从而使这一系统成为一个非常有前景的量子应用平台。""这看起来似乎很短，但有趣的是，这个系统并不需要特殊的条件--它甚至可以在室温下存储自旋量子态，而且不需要大型磁铁"。六方氮化硼（hBN）是一种由一原子厚的层堆叠而成的超薄材料，有点像纸张。这些层通过分子间的作用力固定在一起。但有时，这些层内会出现"原子缺陷"，类似于晶体内部夹杂着分子。这些缺陷可以通过明确的光学转变吸收和发射可见光范围内的光，还可以作为电子的局部陷阱。由于hBN中存在这些"原子缺陷"，科学家们现在可以研究这些被困电子的行为方式。他们可以研究电子与磁场相互作用的自旋特性。真正令人兴奋的是，研究人员可以在室温下利用这些缺陷中的光来控制和操纵电子自旋。这一发现为未来的技术应用，尤其是传感技术的应用铺平了道路。不过，由于这是首次有人报告该系统的自旋相干性，因此在其成熟到足以用于技术应用之前，还有很多问题需要研究。科学家们仍在研究如何使这些缺陷变得更好、更可靠。他们目前正在探究我们能在多大程度上延长自旋存储时间，以及我们能否优化对量子技术应用非常重要的系统和材料参数，如缺陷的长期稳定性和该缺陷发出的光的质量。"与这一系统的合作向我们彰显了材料基础研究的力量。至于hBN系统，作为一个领域，我们可以在其他新材料平台中利用激发态动力学，用于未来的量子技术。"论文第一作者HannahStern博士说，她在卡文迪什实验室进行了这项研究，现在是英国皇家学会大学研究员兼曼彻斯特大学讲师。未来，研究人员将进一步开发该系统，探索从量子传感器到安全通信等多个不同方向。"每一个新的有前途的系统都将拓宽可用材料的工具包，而朝着这个方向迈出的每一步都将推动量子技术的可扩展实施。这些成果证实了层状材料有望实现这些目标，"领导该项目的卡文迪什实验室主任梅特-阿塔图雷（MeteAtatüre）教授总结道。编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1432414.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1432414.htm

研究人员创造出一种新型的量子材料 拥有戏剧性的鱼骨状扭曲

研究人员创造出一种新型的量子材料拥有戏剧性的鱼骨状扭曲这幅插图显示了一种新的量子材料的各层之间的电子拉锯战是如何将其原子晶格扭曲成一个戏剧性的鱼骨状图案的。创建这种材料的SLAC和斯坦福大学的科学家们刚刚开始探索这种"巨大"的扭曲是如何影响材料的特性的。"这是一个非常基本的结果，所以很难对它可能或不可能产生的东西作出预测，但可能性是令人兴奋的，"SLAC/斯坦福大学教授和SIMES主任HaroldHwang说。"根据我们团队成员的理论建模，看起来这种新材料具有耐人寻味的磁性、轨道和电荷秩序特性，我们计划进一步研究。这些正是科学家们认为赋予量子材料惊人特性的一些属性。该研究小组在《自然》杂志上发表的一篇论文中描述了他们的工作。在SLAC和斯坦福大学的实验中，研究人员改变了左图材料的原子结构，该材料由八面体和四面体层组成，被称为布朗米勒石，通过化学方法去除氧气层，就像玩Jenga的人小心翼翼地从一堆木块中去除一样。由此产生的材料（右图）被Jahn-Teller效应引起的层间电子拉锯战极大地扭曲成人字形图案。资料来源：WooJinKim/SIMES人字形图案的材料是首次在具有平坦的平面晶格的分层材料中展示了一种叫做Jahn-Teller（JT）效应的东西，就像一栋具有均匀间隔的楼层的高层建筑。JT效应解决了电子在接近离子时面临的困境--一个缺少一个或多个电子的原子。就像一个在地面上滚动的球会在一个低洼处停下并定居一样，电子会寻找并占据原子电子轨道中能量最低的空位。但有时会有两个能量同样低的空位。那怎么办呢？如果该离子在一个分子中或嵌入一个晶体中，JT效应会扭曲周围的原子晶格，从而只留下一个最低能量状态的空位，解决电子的问题。而当整个晶格由JT离子组成时，在某些情况下，整个晶体结构会发生扭曲，因此电子的困境在所有离子中得到了合作解决。这就是这项研究中发生的情况。插图显示了一种新的量子材料的扭曲，这种扭曲是由带负电的钴离子和带正电的钙离子之间的电子拉锯战产生的。在所谓的Jahn-Teller效应中，每个钴离子试图将钙离子从它上面和下面的层中拉出来，使原子晶格按照箭头的方向扭曲，这是以前没有见过的方式。资料来源：WooJinKim/SIMES"Jahn-Teller效应在电子之间以及电子和晶格之间产生了强烈的相互作用，"Hwang说。"这被认为在一些量子材料的物理学中起着关键作用。"JT效应已经被证明适用于单分子和由八面体或四面体结构排列的离子组成的三维晶体材料。事实上，基于锰或铜的JT氧化物表现出巨大的磁阻和高温超导性--导致科学家们想知道在基于其他元素或具有不同结构的材料中会发生什么。在这项研究中，SIMES的研究人员将一种由钴、钙和氧（CaCoO2.5）组成的材料（它具有不同的八面体和四面体层的堆叠，被称为布朗米勒石）变成了一种层状材料（CaCoO2），在这种材料中可以产生JT效应。他们用几年前在SIMES开发的化学技巧做到了这一点，制成了第一个氧化镍超导体。Kim合成了一层棕米勒石薄膜，并通过化学方法从其晶格中移除单层氧原子，就像玩家小心翼翼地从Jenga塔中移除积木一样。晶格坍塌并沉淀为一个平坦的平面结构，其中交替含有带负电荷的钴离子（JT离子）和带正电荷的钙离子。每个钴离子都试图从它上面和下面的层中拉出钙离子。他说："相邻层之间的这种拉锯战导致了一种美丽的扭曲模式，它反映了发挥作用的力量之间的最佳和最和谐的妥协。而且与其他材料相比，所产生的晶格扭曲是巨大的--相当于晶格中离子之间距离的25%。"Hwang说，研究小组将用SLAC和其他地方现有的X射线工具来探索这种显著的新电子配置。他说："我们也想知道，如果我们能给这种材料掺入兴奋剂--用其他原子替换一些原子，以改变可自由移动的电子数量，会发生什么。这有许多令人兴奋的可能性"。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1352353.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1352353.htm

用于中子实验和量子信息科学的先进钻石传感器

用于中子实验和量子信息科学的先进钻石传感器艺术家的渲染图说明了贝克小组将开发的氮空隙钻石传感器。内部网格线代表了激光在钻石内的路径--进入的光束（较粗的红线）在钻石传感器内反复反射，直到它遇到切角出现（较细的红线）。图片由YasmineSteele为伊利诺伊州物理学提供。资料来源：伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校格兰杰工程学院伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的核物理小组正在寻找中子的新物理学证据，中子是电中性粒子，通过一种称为强力的相互作用将原子核固定在一起。教师和研究人员正在参加橡树岭国家实验室的nEDM实验，该实验将测量中子的电偶极矩，这一特性使中子尽管是中性的，但却能与电场相互作用。一个精确的测量将约束扩展当前粒子物理学标准模型的理论。为了实现这一目标，研究人员必须准确地测量非常强的电场的微妙变化。物理学教授道格拉斯-贝克（DouglasBeck）获得了能源部的资助，以开发基于氮空穴金刚石的传感器，这种材料在低温下的量子特性使其对电场异常敏感。他的研究小组已经表明，这种材料可以测量强电场，该奖项将使研究人员能够构建准备用于nEDM实验的传感器。此外，该材料的量子特性使其成为量子信息科学的一个有希望的候选者。研究人员还将探索这些潜在的应用。贝克解释说，化学上添加的氮空位（或NV）杂质使钻石具有不寻常的电场敏感性。这些杂质是带有一个额外的氮原子和一个空洞[或空位]的区域，而这些空位通常是在碳原子的位置。当材料被冷却到绝对零度以上不到20度时，这些杂质形成一个对电场有反应的量子系统。这是一个相当不寻常的特性，因为没有多少系统对电场有反应，这使得NV钻石变得特别。当NV系统在特定的量子状态下被制备时，它可以变得更加敏感。研究人员在冷却该系统后，没有让它停留在最低的能量状态，而是形成了一个最低和次低能量状态的量子叠加，称为暗态，因为它不与光相互作用而得名。"在某种意义上，这个名字是为了暗示它对与环境的相互作用具有免疫力，"贝克说。"因为它的寿命很长，它有着非常鲜明的能量，非常准确地告诉我们电场有多大。"贝克的研究小组已经证明，这种现象使NV钻石能够测量强电场，该奖项将使研究人员能够在此基础上开发可靠、坚固的传感器。这将涉及到将传感器包装成易于与用于控制它们的激光器连接的单元，并将背景噪音的影响降至最低。贝克说，他们还在研究一种叫做动态解耦的量子技术，这将使他们能够有效地扭转实验不完善的影响。这将使已经很精确的电场测量变得更加精确。该研究的另一个目标是探索在量子信息科学中使用NV钻石的建议。暗态的长寿命和对环境噪声的弹性使它成为一个有前途的量子传感和量子存储器的平台。许多这样的应用取决于将量子系统置于拥有海森堡原理所允许的最小不确定性的挤压状态，目前已经有几个关于在NV钻石中创造挤压态的建议，贝克的小组将调查其可行性。这项工作将得到能源部核物理项目中的量子地平线计划三年内65万美元的支持。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1359593.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1359593.htm

钻石量子传感器能以毫米的分辨率测量心脏电流

钻石量子传感器能以毫米的分辨率测量心脏电流许多心脏问题--包括心动过速和心肌颤动主要源于电流在心脏中传播方式的不完善。然而不幸的是，医生很难研究这些不完善之处，这是因为测量这些电流涉及高度侵入性程序和暴露于X射线辐射。不过幸运的是，还有其他选择。比如磁心动图(MCG)是一种有希望的间接测量心脏电流的替代方法。该技术涉及感应心脏附近由心脏电流引起的磁场的微小变化。这可以以一种完全无接触的方式完成。为此，科研人员们已经开发了适合这一目的的各种类型的量子传感器。然而它们的空间分辨率被限制在厘米级，这对于检测在毫米级传播的心脏电流来说是不够的。此外，这些传感器中的每一个都有其实际限制，如尺寸和工作温度。在日前发表在《CommunicationsPhysics》上的一项新研究中，一个科学家团队开发了一种新型装置以更高的分辨率进行MCG。他们的方法是基于一个由氮空位组成的钻石量子传感器，氮空位作为特殊的磁“中心”对心脏电流产生的弱磁场敏感。研究人员由日本东京工业大学的TakayukiIwasaki副教授领导。但如何观察这些中心的状态以提取有关心脏电流的信息呢？事实证明，该传感器也是荧光的，这意味着它很容易吸收特定频率的光，然后以不同的频率重新发射出来。最重要的是，在氮空位处重新发射的光的强度会根据外部磁场的强度和方向而变化。研究人员创建了一个MCG装置，其使用一个532纳米（绿色）激光器来激发钻石传感器和一个光电二极管来捕捉重新发射的光子（光粒子）。另外，他们还开发了数学模型以准确地将这些捕获的光子跟相应的磁场及反过来与负责这些光子的心脏电流进行映射。凭借前所未有的5.1毫米的空间分辨率，拟议的系统可以创建在实验室大鼠心脏中测量的心脏电流的详细二维地图。此外，哥们其他成熟的需要低温的MCG传感器不同，钻石传感器可以在室温下运行。这使研究人员能将他们的传感器放置在极其靠近心脏组织的位置，这放大了测量的信号。Iwasaki博士强调道：“我们的非接触式传感器的优势跟我们目前的模型相结合，其将允许使用小型哺乳动物模型对心脏缺陷进行更精确的观察。”总的来说，这项研究中开发的MCG装置似乎是一个有希望的工具，它可以理解许多心脏问题及其他涉及电流的身体过程。在这方面，Iwaasaki说道：“我们的技术将能研究各种心律失常的起源和发展及其他生物电流驱动的现象。”...PC版：https://www.cnbeta.com/articles/soft/1307761.htm手机版：https://m.cnbeta.com/view/1307761.htm

弯曲的空间结构 - 科学家们开发出一种新的量子材料

弯曲的空间结构-科学家们开发出一种新的量子材料由于铝酸镧（LaAlO3）和钛酸锶（SrTiO3）界面的自旋和轨道状态的叠加，导致空间结构的曲率。资料来源：XavierRavinet-UNIGE由日内瓦大学（UNIGE）领导的一项全球合作，包括来自萨勒诺大学、乌特勒支大学和代尔夫特大学的研究人员已经开发出一种材料，可以通过弯曲它们演变的空间结构来控制电子的动态。这一进展为未来的电子设备带来了希望，特别是在光电子领域。该研究结果发表在《自然材料》杂志上。未来的电信产业将需要新的、极其强大的电子装置。这些设备必须能够以前所未有的速度处理电磁信号，在皮秒范围内，即十亿分之一秒的速度。这在目前的半导体材料中是无法想象的，例如硅，它被广泛用于我们的电话、电脑和游戏机的电子元件中。为了实现这一目标，科学家和工业界正专注于新的量子材料的设计。由于其独特的属性--特别是组成它们的电子的集体反应--这些量子材料可用于在新的电子设备中捕获、操纵和传输携带信息的信号（例如，在量子通信的情况下，光子）。此外，它们可以在尚未探索的电磁频率范围内工作，因此将为非常高速的通信系统开辟道路。曲速驱动器量子物质最迷人的特性之一是电子可以在一个弯曲的空间中演化。由于电子所处空间的这种扭曲，力场产生了传统材料中完全没有的动力学。这是量子叠加原理的一个杰出应用，"UNIGE理学院量子物质物理系全职教授AndreaCaviglia解释说，他是这项研究的最后一名作者。在最初的理论研究之后，来自日内瓦大学、萨勒诺大学、乌特勒支大学和代尔夫特大学的国际研究小组设计了一种材料，其中空间结构的曲率是可控的。''我们设计了一个承载极薄的自由电子层的界面。它被夹在钛酸锶和铝酸镧之间，这是两种绝缘的氧化物，''萨勒诺大学教授和理论研究的协调人CarmineOrtix说。这种组合使我们能够获得可以按需控制的特殊电子几何构型。一次一个原子为了实现这一目标，研究小组使用了一个先进的系统，在原子尺度上制造材料。使用激光脉冲，每层原子被一个接一个地堆叠起来。''这种方法使我们能够在空间中创造特殊的原子组合，从而影响材料的行为，''研究人员详细说明。虽然技术使用的前景还很遥远，但这种新材料在探索极高速电磁信号操纵方面开辟了新的途径。这些结果也可用于开发新的传感器。研究小组的下一步将是进一步观察这种材料对高电磁频率的反应，以更精确地确定其潜在的应用。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1354017.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1354017.htm