电子设备通常使用电子的电荷，但是自旋——它们的另一个自由度——正开始被利用。自旋缺陷使得晶体材料在基于量子的器件中非常有用，如超灵敏量子传感器、量子存储器件或模拟量子效应物理的系统。改变半导体中的自旋密度可以导致材料的新特性——这是研究人员长期以来想要探索的——但这种密度通常是短暂的和难以捉摸的，因此很难在局部测量和控制。
现在，麻省理工学院和其他地方的一组研究人员发现了一种调整金刚石自旋密度的方法，通过施加外部激光或微波束，将其改变两倍。这一发现发表在《美国国家科学院院刊》(PNAS)上，作者说，这一发现可能为先进的量子设备开辟许多新的可能性。这篇论文是由麻省理工学院教授Paola Cappellaro和Ju Li的现任和前任学生以及米兰理工大学的合作者共同完成的。
论文第一作者王国庆博士。23年，在卡佩拉罗的实验室完成博士论文，现在是麻省理工学院的博士后。
金刚石中的氮空位(NV)中心是一种特殊类型的自旋缺陷，因其在各种量子应用中的潜在用途而被广泛研究。NV中心的自旋对任何物理、电或光学干扰都很敏感，这使它们成为潜在的高灵敏度探测器。
“固态自旋缺陷是最有前途的量子平台之一，”王说，部分原因是它们可以在室温条件下工作。许多其他量子系统需要超低温或其他专门的环境。
“NV中心的纳米级传感能力使它们有望探测自旋环境中的动力学，表现出尚未被理解的丰富量子多体物理，”王补充说。“环境中的一个主要自旋缺陷，称为P1中心，通常比NV中心多10到100倍，因此可以有更强的相互作用，使它们成为研究多体物理的理想选择。”
但是为了调整它们的相互作用，科学家们需要能够改变自旋密度，这在以前是很少实现的。通过这种新方法，王说:“我们可以调整自旋密度，因此它提供了一个潜在的旋钮来实际调整这样一个系统。这是我们工作的关键新颖之处。”
王说，这样一个可调系统可以为研究量子流体力学提供更灵活的方法。更直接的是，新工艺可以应用于一些现有的纳米级量子传感设备，以提高它们的灵敏度。
李是麻省理工学院核科学与工程系和材料科学与工程系的联合教授，他解释说，今天的计算机和信息处理系统都是基于对电荷的控制和检测，但是一些创新的设备开始利用被称为自旋的特性。例如，半导体公司英特尔(Intel)一直在试验将自旋和电荷结合在一起的新型晶体管，这可能为基于自旋电子学的设备开辟一条道路。
“传统的CMOS晶体管消耗大量能量，”李说，“但如果你使用自旋，就像在英特尔的设计中一样，那么你可以减少很多能量消耗。”该公司还开发了用于量子计算的固态自旋量子比特设备，“自旋是人们想要在固体中控制的东西，因为它更节能，而且它也是量子信息的载体。”
在Li和他的同事们的研究中，新达到的对自旋密度的控制水平允许每个NV中心像一种原子尺度的“雷达”一样，既能感知也能控制附近的自旋。“我们基本上使用特定的NV缺陷来感知周围的电子和核自旋。这个量子传感器揭示了附近的自旋环境，以及它是如何受到电荷流的动态影响的，在这种情况下，电荷流是由激光泵浦的。
他说，这个系统使得动态改变自旋浓度为原来的两倍成为可能。这可能最终导致单点缺陷或单个原子可以作为基本计算单元的设备。“从长远来看，单点缺陷，以及单点缺陷上的局部自旋和局部电荷，可以成为计算逻辑。它可以是量子比特，可以是存储器，也可以是传感器，”他说。
他补充说，要发展这一新发现的现象，还有很多工作要做。“我们还没有完全做到这一点，”他说，但他们迄今为止所展示的表明，他们“确实将点缺陷的自旋和电荷状态的测量和控制降低到了前所未有的水平。”所以，从长远来看，我认为这将支持使用单个缺陷，或少量缺陷，成为信息处理和传感设备。”
在目前的工作中，王说，“我们发现了这种现象，并证明了它”，但需要进一步的工作来充分了解这些系统中发生的物理机制。“我们的下一步是更深入地挖掘物理学，所以我们想更好地了解他们所看到的效应背后的潜在物理机制是什么。”
从长远来看，“随着对这些系统的更好理解，我们希望探索更多的量子模拟和传感想法，比如模拟有趣的量子流体力学，甚至在不同的自旋缺陷之间传输量子信息。”
这一发现之所以成为可能，部分原因是该团队开发了一种新的宽视场成像装置，该装置允许他们同时测量晶体材料内的许多不同空间位置，使用快速单光子探测器阵列，结合显微镜。“我们能够像指纹一样对不同自旋物种的密度分布和电荷传输动力学进行空间成像，”尽管这项工作仍处于初步阶段，王说。
他说，虽然他们的工作是用实验室培养的钻石完成的，但这些原理可以应用于其他晶体固态缺陷。金刚石中的NV中心很有吸引力，因为它们可以在室温下使用，而且它们已经得到了很好的研究。但是硅的空位中心、硅中的供体、固体中的稀土离子和其他晶体材料可能具有不同的特性，这些特性可能对特定的应用有用。
随着信息科学的发展，最终人们将能够控制单个原子和缺陷的位置和电荷。这是长期的愿景。”“如果你能让每个原子存储不同的信息，这将是一个更大的信息存储和处理能力”，与现有的系统相比，甚至一个比特都是由许多原子的磁域存储的。“你可以说这是摩尔定律的极限:最终只剩下一个缺陷或一个原子。”
王说，虽然一些应用可能需要更多的研究才能发展到实际水平，但对于某些类型的量子传感系统，新的见解可以迅速转化为现实世界的应用。“基于我们的研究结果，我们可以立即提高量子传感器的性能，”他说。
“总的来说，这个结果对于固态自旋缺陷领域来说是非常令人兴奋的，”Chong Zu说，他是圣路易斯华盛顿大学的物理学助理教授，专门研究量子信息，但没有参与这项工作。“特别是，它引入了一种强大的方法，使用电荷电离动力学来连续调整局部自旋缺陷密度，这在NV中心用于量子模拟和传感的应用中非常重要。”
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