Các nhà khoa học Trung Quốc đạt được cảm biến lượng tử spin đơn kích thước nano tăng cường vướng víu

Phóng viên được biết từ Đại học Khoa học và Công nghệ Trung Quốc, Giáo sư Wang Ya từ Phòng thí nghiệm Cộng hưởng từ spin của trường cùng cộng tác với Phòng thí nghiệm Trọng điểm Quốc gia về Công nghệ Nhận thức Chính xác Đại dương của Đại học Chiết Giang đã đạt được tiến bộ quan trọng trong lĩnh vực đo lường chính xác lượng tử ở quy mô nano, lần đầu tiên thực hiện được việc phát hiện spin đơn ở kích thước nano được tăng cường bằng vướng víu lượng tử trong môi trường nhiễu. Kết quả nghiên cứu liên quan đã được công bố trực tuyến trên tạp chí học thuật uy tín quốc tế Nature vào ngày 27/11, giờ Bắc Kinh.

Trong thế giới vi mô, "spin" của electron là một trong những thuộc tính cơ bản của nó, giống như những cây kim nam châm siêu nhỏ. Nhiều đặc tính vĩ mô của vật liệu, chẳng hạn như từ tính của nam châm hoặc điện trở bằng không của vật liệu siêu dẫn, đều bắt nguồn từ sự sắp xếp và tương tác của những "kim nam châm" vi mô này.

Các nhà nghiên cứu giải thích rằng, việc phát hiện từng spin đơn lẻ, đo lường đơn vị từ tính cơ bản nhất của thế giới vật chất, không chỉ cung cấp góc nhìn mới để hiểu tính chất vật liệu mà còn đặt nền tảng vững chắc cho việc phát triển công nghệ phát hiện từ tính phân tử đơn và thúc đẩy khoa học lượng tử. Tuy nhiên, do vật chất chứa một lượng lớn spin, việc phát hiện một spin đơn lẻ tương đương với việc bắt được rõ ràng tiếng thì thầm của một người cụ thể trong một sân vận động ồn ào, điều này đặt ra thách thức lớn cho công nghệ liên quan.

Cảm biến lượng tử tâm màu vacancy-nitơ trong kim cương, nhờ khả năng phân giải cấp độ nano và độ nhạy từ tính cao, luôn là con đường kỹ thuật quan trọng để đạt được phát hiện spin đơn. Hướng tới mục tiêu khoa học là phát hiện spin đơn, thông qua sự tích lũy lâu dài, nhóm nghiên cứu đã phát triển kỹ thuật điều khiển lượng tử spin chính xác cao cùng các linh kiện và thiết bị cốt lõi cho cảm biến lượng tử kim cương. Trong các công trình trước đó, họ đã có thể nhận diện được những spin mang "dấu hiệu" đặc biệt thông qua sự khác biệt về phổ.

Các nhà nghiên cứu cho biết, trong hơn mười năm qua, nhóm nghiên cứu đã tập trung vào việc tự chủ chuẩn bị cảm biến lượng tử kim cương chất lượng cao, thiết lập được quy trình công nghệ hoàn chỉnh bao gồm hơn hai mươi công đoạn và làm chủ các công nghệ then chốt. Thông qua đổi mới hợp tác trên cả hai hướng: chuẩn bị vật liệu và điều khiển lượng tử, lần đầu tiên họ đã phát triển thành công kỹ thuật phát hiện spin đơn kích thước nano tăng cường bằng vướng víu, đạt được sự cải thiện đồng thời cả độ nhạy và độ phân giải không gian đối với tín hiệu từ vi mô trong hệ thống trạng thái rắn, mở đường cho sự phát triển liên tục của công nghệ đo lường chính xác lượng tử ở quy mô nano.