我國(guó)科學(xué)家攻克納米尺度單自旋探測(cè)難題
2025年11月27日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)自旋磁共振實(shí)驗(yàn)室王亞教授團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)海洋精準(zhǔn)感知技術(shù)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室攜手攻關(guān)，在納米尺度量子精密測(cè)量領(lǐng)域取得里程碑式突破——首次成功實(shí)現(xiàn)噪聲環(huán)境下糾纏增強(qiáng)的納米尺度單自旋探測(cè)。這一重大研究成果已在線發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《自然》，為量子科技在微觀領(lǐng)域的應(yīng)用開(kāi)辟了全新路徑。電子自旋作為微觀世界的基本屬性，如同無(wú)數(shù)微小磁針，其排列與相互作用決定了材料的宏觀特性，如磁鐵磁性、超導(dǎo)體零電阻等。對(duì)單個(gè)自旋這一物質(zhì)最基礎(chǔ)磁性單元的精準(zhǔn)探測(cè)，不僅是破解物質(zhì)特性本質(zhì)的關(guān)鍵，更是推動(dòng)單分子磁探測(cè)技術(shù)與量子科技發(fā)展的核心基礎(chǔ)。然而，物質(zhì)中大量自旋的存在讓單自旋探測(cè)如同在喧鬧體育場(chǎng)中捕捉單個(gè)聲音，背景噪聲的干擾成為長(zhǎng)期困擾科研界的技術(shù)瓶頸。
金剛石氮-空位色心量子傳感器憑借納米級(jí)分辨能力和高靈敏磁探測(cè)性能，一直是單自旋探測(cè)的核心技術(shù)選擇。此前，合作研究團(tuán)隊(duì)已通過(guò)長(zhǎng)期積累，發(fā)展出高精度自旋量子調(diào)控技術(shù)，并成功利用頻譜差異識(shí)別帶有特殊"標(biāo)記"的單自旋。但在復(fù)雜噪聲環(huán)境中穩(wěn)定捕捉任意單個(gè)自旋的微弱信號(hào)，始終面臨著探測(cè)靈敏度與空間分辨率的雙重挑戰(zhàn)。
在材料制備層面，團(tuán)隊(duì)運(yùn)用自主研發(fā)的超純金剛石生長(zhǎng)技術(shù)與納米精度定點(diǎn)摻雜技術(shù)，成功制備出間距僅5納米的氮-空位色心對(duì)結(jié)構(gòu)，為量子糾纏增強(qiáng)探測(cè)奠定了精準(zhǔn)的空間基礎(chǔ)。探測(cè)方法上，研究人員創(chuàng)造性地將一對(duì)色心構(gòu)建為特殊量子糾纏態(tài)，使其能夠"過(guò)濾"遠(yuǎn)端相同背景噪聲，同時(shí)協(xié)同聚焦并放大近端目標(biāo)單自旋的獨(dú)特信號(hào)，巧妙化解了信號(hào)放大與噪聲干擾的矛盾，使空間分辨率提升1.6倍。
此次技術(shù)突破達(dá)成三大核心進(jìn)展：一是成功區(qū)分并探測(cè)到相鄰的兩個(gè)"暗"電子自旋；二是在嘈雜環(huán)境中將探測(cè)靈敏度提升至單傳感器水平的3.4倍；三是實(shí)現(xiàn)對(duì)不穩(wěn)定自旋信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與主動(dòng)調(diào)控。這一成果不僅實(shí)證了量子糾纏在納米尺度傳感中的巨大潛力，更讓金剛石量子傳感器成為原子層面研究量子材料的強(qiáng)大工具，將為凝聚態(tài)物理、量子生物學(xué)、化學(xué)等領(lǐng)域提供革命性研究手段。同時(shí)，相關(guān)金剛石氮空位色心的可控制備與量子糾纏調(diào)控技術(shù)，也為室溫金剛石量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)奠定了關(guān)鍵基礎(chǔ)。
據(jù)悉，該研究由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)博士研究生周旭、特任副研究員王孟祺擔(dān)任共同第一作者，杜江峰院士與王亞教授為共同通訊作者。研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部等部門的資助支持。