量子缺陷有潜力充当超灵敏传感器，可以提供新型导航或生物传感器技术。
其中一种缺陷系统，金刚石中的氮空位（NV）中心，可以测量纳米级的磁场。但是，尽管科学家可以控制这些中心的量子自旋——金刚石中的单个缺陷，其中氮取代了碳——但他们仍然不完全了解如何最好地将自旋与材料中其他缺陷的自旋隔离开来，这些缺陷会破坏其量子态记忆或相干性。
只有研究这种材料在原子水平上的工作原理，科学家和工程师才能意识到这些传感器的潜力。在芝加哥大学普利兹克分子工程学院（PME）的一项新研究中，David Awschalom教授实验室的研究人员设计了一种利用缺陷自旋来测量钻石中其他单电子缺陷行为的新方法。
这项新发现发表在《物理评论快报》上，将用于制造更好的量子传感器，可以保持较长的相干时间。
Awschalom说：“我们已经设计了一种方法来观察单量子自旋态的某些行为，否则这些行为在标准测量中被证明是难以捉摸的。”“这将影响我们如何设计量子系统，以及我们如何看待许多材料中的电荷。”
在PME博士研究生和现任博士后研究员Jonathan Marcks的带领下，研究小组在阿贡国家实验室的设施中合成了这些NV中心。他们通过化学气相沉积一层一层地生长金刚石，并且只能引入几纳米的氮掺杂剂来形成单个的NV中心。
这些单自旋缺陷是高度相干的，但它们的自旋对材料中其他缺陷自旋的行为仍然敏感。这是因为无论钻石生长得多么仔细，它最终总会产生意想不到的氮缺陷，这些缺陷有自己的自旋。这会导致系统中的退相干，影响其作为传感器的有效性。
马克斯说：“即使我们很好地控制了氮的放置位置，我们最终还是会受到这种背景噪音的影响。”“因为我们想要培养高度相干的氮空位中心，我们想更好地了解这些周围缺陷的行为和相互耦合。”
为了更好地理解这些单氮电子缺陷，研究小组使用激光和自制的显微镜系统来测量NV中心。NV中心发射的光子数取决于NV中心的自旋态。由于这些中心与其他自旋相互作用，研究小组意识到他们可以使用NV中心作为附近氮电子电荷的纳米级传感器，否则氮电子电荷是看不见的。
这一过程使他们首次观察到这种材料内部的耦合自旋和电荷动力学——精确到单个缺陷。
“我们期望氮缺陷都只有一个单一的电荷状态，但实际上它们来回翻转，它们并不总是处于相同的电荷状态，”马克斯说。“这与我们从固态物理学中得出的结论不同。”
该团队与Aashish Clerk教授和Giulia Galli教授合作，他们的团队提供了理论和计算工具，使研究人员能够更好地理解他们的观察结果。
最终，该团队将利用这些知识不仅更好地了解这些材料系统的行为方式，而且还将构建更好的量子传感器。
加利说：“通过实验、理论和计算的结合，我们对如何为新兴的量子技术创造极其清洁的材料和控制这些内部噪声源有了想法。”
该论文的其他作者包括Mykyta Onizhuk、王玉新、朱一志、金宇、Benjamin S. Soloway、Masaya Fukami、Nazar Delegan和F. Joseph Heremans。
