量子探针实现磁场和应力张量的原位测量

近日，中国科学院物理研究所于晓辉研究员、潘新宇研究员、刘刚钦特聘研究员联合团队成功在兆巴高压下实现了金刚石NV中心自旋量子调控和量子传感。在这个工作中，研究人员在0-140 GPa范围内测量了金刚石微米颗粒中NV集群的光致发光谱(PL)和光探磁共振谱(ODMR)，实验展示了金刚石NV量子传感所需的核心元素，包括激光激发、微波调控、以及荧光读出等，均可在近140 GPa的高压下实现，而且其工作机理与常压情况一致，用532 nm激光即可实现其自旋极化和读出。  

研究人员还在80 GPa高压下实现了金刚石NV中心自旋量子态相干调控，并用该微区量子探针实现了磁场和应力张量的原位测量。这些结果为进一步提升NV量子传感工作压强指明了方向，包括制备更均匀和更好的静水压条件，以及提升NV荧光收集效率等。   研究结果加深了我们对金刚石NV中心自旋和光学性质的理解，极大地拓展了金刚石自旋量子传感的工作压强区间，也为进一步提升其工作压强和探测灵敏度给出了指引，有望促进量子传感在凝聚态物理、材料科学、地球科学等领域前沿研究中的应用。   

 背景介绍 

高压极端条件是实现物态调控的重要手段之一。随着金刚石对顶砧高压技术的发展，人们已在实验室内获得数百兆巴的高压，这为地球内核环境的实验模拟，实现近室温超导等重要科学问题提供了独特的研究途径。然而，在极端高压下进行物性测量是极其挑战的，尤其是磁性测量。一方面，兆巴高压下样品仅有数10微米，对应的信号极其微弱；另一方面，金刚石对顶砧外围支撑结构一定程度上限制了可用测量方案。近年来，基于金刚石氮空位(NV)中心的量子传感发展迅速，为高压腔内微区物性测量提供了有力工具，但该方案仅在60 GPa以下得到了原理验证，进一步提升其工作压强是高压物性测量和自旋量子调控的共同需求。

 图文解析与研究内容 

首次在兆巴高压(1 Mbar=100 GPa)下实现金刚石氮空位(Nitrogen-vacancy, NV) 中心光探磁共振实验测量，获得NV中心自旋和光学性质随压强变化规律，极大地拓展了金刚石自旋量子传感的工作区间。    

编辑：黄飞