金剛石中一種被稱為氮空位 (NV) 中心的特定類型的自旋缺陷因其在各種量子應(yīng)用中的潛在用途成為研究最廣泛的系統(tǒng)之一。NV 中心的自旋對(duì)任何物理、電或光學(xué)干擾都很敏感，使得它們成為潛在的高度敏感探測(cè)器。固態(tài)自旋缺陷是最有前途的量子平臺(tái)之一，然而許多有趣的特性只有在自旋缺陷密度變化時(shí)才能顯現(xiàn)出來(lái)。通過(guò)創(chuàng)建更密集的缺陷集合來(lái)增加相互作用強(qiáng)度也會(huì)帶來(lái)更多的退相干。理想情況下，人們希望隨意控制自旋濃度，同時(shí)保持固定的退相干效應(yīng)。

研究人員工作中使用的激光設(shè)備

       研究人員表明，通過(guò)利用電荷傳輸，可以朝這個(gè)方向采取一些步驟，同時(shí)表征電荷傳輸及其通過(guò)缺陷的捕獲。通過(guò)利用金剛石中 NV 中心電離和重組的循環(huán)過(guò)程，將電子從價(jià)帶泵送到導(dǎo)帶。然后傳輸這些電荷，通過(guò)改變材料缺陷的電荷狀態(tài)來(lái)調(diào)節(jié)自旋濃度。通過(guò)開(kāi)發(fā)與快速單光子探測(cè)器陣列集成的寬視場(chǎng)成像裝置，通過(guò)以微米級(jí)空間分辨率測(cè)量旋轉(zhuǎn)浴的完整光譜，實(shí)現(xiàn)了電荷重新分布過(guò)程的直接有效的表征。

       該研究證明了主要自旋缺陷的濃度增加了兩倍，同時(shí)保持NV中心的T2相對(duì)不變，這也提供了通過(guò)超精細(xì)相互作用抑制自旋觸發(fā)器的潛在實(shí)驗(yàn)證明。該項(xiàng)工作為研究混合電荷自旋系統(tǒng)中具有時(shí)間和空間可調(diào)相互作用強(qiáng)度的多體動(dòng)力學(xué)鋪平了道路。相關(guān)研究以“Manipulating solid-state spin concentration through charge transport”為題發(fā)表在《PNAS》上。

       圖文導(dǎo)讀

       光照下電子自旋種的再分布

       電荷態(tài)的壽命

       想干時(shí)間成像

       總結(jié)

       該研究提出并演示了通過(guò)電荷傳輸來(lái)操控金剛石中的自旋濃度。利用光誘導(dǎo)電荷在不同自旋物種之間的重新分布，不同自旋物種之間的翻轉(zhuǎn)抑制不同，探針（NV）自旋的相干時(shí)間相對(duì)不變。除了在序列重復(fù)下表征系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)外，研究人員還展示了表征電荷動(dòng)態(tài)的可行性。該工作通過(guò)測(cè)量DEER光譜提供了一種靈活的工具，可以表征材料，包括電荷和自旋動(dòng)態(tài)。

       近年來(lái)，固態(tài)缺陷已經(jīng)顯示出在探索流體力學(xué)方面的潛力，旨在彌合微觀量子定律與宏觀經(jīng)典現(xiàn)象之間的差距。自旋集合中的天然偶極相互作用可作為一個(gè)多用途平臺(tái)，用于設(shè)計(jì)和表征多體量子自旋系統(tǒng)。該工作提供了在同一材料中在這些自旋傳輸實(shí)驗(yàn)中臨時(shí)和空間上調(diào)整自旋濃度的方法，同時(shí)保持自旋相干時(shí)間。此外，將電荷自由度引入系統(tǒng)，為用兩種耦合的傳輸機(jī)制設(shè)計(jì)多體系統(tǒng)提供了更靈活的平臺(tái)。

       進(jìn)一步將設(shè)置與波長(zhǎng)可調(diào)的激光集成，可以更精確地揭示缺陷能級(jí)與材料能帶之間的關(guān)系，從而在將實(shí)驗(yàn)與第一性原理計(jì)算相結(jié)合時(shí)，能夠識(shí)別出各種缺陷。這種指紋能夠更完整地重建局部電荷和自旋環(huán)境。將電荷密度控制與自旋到電荷轉(zhuǎn)換相結(jié)合，為通過(guò)電荷載流子的相干傳輸量子信息以及按需產(chǎn)生其他量子自旋缺陷鋪平了道路。此外，提高局部電荷密度的光學(xué)可調(diào)性對(duì)于通過(guò)激光束成形開(kāi)發(fā)電荷透鏡是具有前景的。

       文章來(lái)源：https://doi.org/10.1073/pnas.2305621120