近日，美国普林斯顿大学研究团队在最新一期《自然》杂志发表重磅成果，成功研发出基于工程化钻石缺陷的新型量子传感器。该设备磁场探测灵敏度较现有技术提升约 40 倍，首次实现对凝聚态材料中 “不可见” 隐秘磁波动的直接观测，为石墨烯、超导体等前沿量子材料的研究开辟了全新路径。据悉，这项研究由普林斯顿大学Nathalie de Leon主导，普林斯顿大学Jared Rovny、加州大学伯克利分校Shimon Kolkowitz深度参与完成。
相关论文:Multi-qubit nanoscale sensing with entanglement as a resource
这款量子传感器的核心依托是实验室培育的超高纯度钻石。与天然钻石相比，这种人工钻石纯度极高，其晶格缺陷被精确控制在极致微小的范围，数十亿个原子组成的晶格中仅缺失一个原子。这些精准设计的晶格缺陷因能与磁场产生强烈相互作用，成为构建高性能磁场传感器的理想载体。
团队的关键创新在于钻石表面的氮空位中心设计。研究人员在钻石表面植入两个间距仅 10 纳米的氮空位中心，使其形成量子纠缠状态。氮空位中心是钻石晶格中氮原子替代碳原子后与相邻晶格空位组成的点缺陷，兼具自旋相关光致发光特性与室温下的长自旋相干性，这种纠缠的双探针如同协同工作的精密探测器，可从复杂噪声背景中精准提取磁信号，这也是灵敏度大幅提升的核心原因。不同于以往研究依赖的原子阵列等理想体系，该技术实现了在真实材料中直接探测磁现象的突破。
氮空位中心的植入过程攻克了极高的技术难关。团队采用高速轰击技术，以每秒超过 3 万英尺的速度将氮分子射向钻石表面，使氮分子解离为两个氮原子，并在可控能量作用下精准穿透至钻石表面下 20 纳米处。这种对植入深度与间距的精准把控，促使氮原子电子自发形成量子纠缠，成为传感器实现超高灵敏度探测的关键所在。
借助这一技术突破，研究人员首次在原子尺度至可见光波长的关键区间，捕捉到此前难以观测的磁噪声与电子行为。观测内容不仅包括电子在材料中的传播与散射过程，还涵盖了超导材料特殊条件下出现的磁通涡旋演化现象。磁通涡旋作为 II 型超导体中携带磁通量子的离散结构，其动力学特性对超导磁体稳定性至关重要，此次观测为解析超导材料特性提供了全新视角。
研究团队表示，这款新型量子传感器未来将聚焦非常规超导、拓扑量子态等前沿课题研究。作为量子传感领域的突破性成果，其不仅突破了传统传感器的精度天花板，更将为下一代量子材料的设计提供坚实的实验依据，推动量子科技在材料科学领域的应用迈上新台阶。
资料来源：科技日报、Nature
