來自美國亞利桑那大學的教授助理Vanessa Huxter領(lǐng)導她的團隊，首次利用超高速激光脈沖觀察到能量如何在含有氮空位中心(NV)的金剛石內(nèi)部活動。這一新發(fā)現(xiàn)將量子計算技術(shù)又向前推進了一大步。

        金剛石氮空位中心,即NV指的是金剛石晶體結(jié)構(gòu)中一個氮原子替代兩個毗鄰的碳原子,并與相鄰格點中存在的空位形成氮-空位中心的缺陷特征。金剛石的這種特征能產(chǎn)生科學家意想不到的優(yōu)越性能并應用于多種先進技術(shù)。

        該研究成果發(fā)表在《自然物理》上，對于研究者更深一步的理解金剛石在量子計算和分子的單原子成像技術(shù)等方面的特性有著重要幫助。

       “金剛石的這種缺陷有著特殊的光學和電子特性”，Huxter說，“我們可以利用光學方法，例如激光對氮空位缺陷加以操作，將其應用在計算、數(shù)據(jù)存儲、傳感和分子結(jié)構(gòu)的成像等技術(shù)領(lǐng)域。

        英國攝影師Eadweard Muybridge曾提出著名的“運動馬”理論（下圖所示），開創(chuàng)了高速運動攝像的技術(shù)先河。該理論描述了馬在奔跑時的高速運動成像過程。Huxter此次主持的超高速激光脈沖原理跟“運動馬”的原理就相類似。

        為了將激光脈沖技術(shù)應用到量子計算領(lǐng)域，首先要對激光脈沖的基礎特性有所研究了解。Huxter的團隊是第一個實時研究金剛石晶體中超高速動力學的團隊。激光脈沖系統(tǒng)中，“振動模式”這一課題非常重要，它決定了系統(tǒng)的局部環(huán)境，還有可能用于信息處理。

        為理解這一技術(shù)概念，研究者首先描繪出了金剛石的晶體結(jié)構(gòu)：一種高度有序排列且重復的三維碳原子晶格。然而，金剛石結(jié)構(gòu)中的碳原子不是按照常規(guī)排列方式聚合在一起的，而是來回的搖擺振動，像是一串串的穿在細繩上。當?shù)瘴蝗毕葜袛噙@些統(tǒng)一的碳晶格時，振動特性便發(fā)生變化，從而通過激光脈沖來操作控制。

        實驗利用激光束將高能量輸送并穿過金剛石內(nèi)部，激光脈沖將氮空位中心的電子撞擊到了一個更高的能量量級，即物理學中所說的激發(fā)態(tài)。一段時間后，電子在松弛效應下又恢復到了基態(tài)，并將能量耗散至周圍。

        電子的松弛效應僅有十億分之一秒，持續(xù)時間極短；為方便觀察振動對系統(tǒng)的超快松弛的影響，Huxter的團隊利用了超高速激光脈沖技術(shù)。

        能量是如何穿過金剛石晶體，又是如何影響氮空位中心附近的振動，弄清楚這兩點對于如何利用激光脈沖技術(shù)至關(guān)重要。而此前，該技術(shù)尚未被攻破。

        “這是我們首次直接觀察到實時的振動光譜”， Huxter說。研究者利用二維電子光譜技術(shù)創(chuàng)造了一個二維關(guān)聯(lián)的“地圖”，方便觀察整個系統(tǒng)是如何從激發(fā)態(tài)松弛恢復到基態(tài)的。

        以分子、原子的尺寸將能量穿行金剛石的整個過程以超高速成像的技術(shù)慢化、清晰化，就可以觀察到能量在整個系統(tǒng)中的穿行過程并為每個細節(jié)拍照；同時還能觀察到能量從哪里輸入，從哪里輸出。

        在超快光譜技術(shù)領(lǐng)域，十億分之一秒可以說就是一百年的時間，Huxter打了個比喻。借助激光脈沖有著毫微微秒的時間分辨率，即一秒的十億分之一的一百萬分之一，科學家們借此得以清晰地觀察到氮空位中心附近的原子振動。這些振動在毫微微秒內(nèi)有著量子相干性。

        目前，Huxter還在探索將金剛石晶體中的原子替換掉會有何反應，其原有的特性是否會發(fā)生變化。

       在Huxter的實驗方案中，金剛石就像是一扇透明的窗戶，從中可以清晰的觀察到氮空位缺陷，而科學家們正是利用激光脈沖完成了氮空位缺陷的能量吸收。（編譯自"Flawed diamonds: Gems for new technology"）