科技日報記者 張佳欣
在比光波長更小的空間里，電流與磁場的行為常常超出直覺難以直接觀測。據最新一期《自然》雜志報道，美國普林斯頓大學研究團隊基于工程化鉆石缺陷打造出新型鉆石量子傳感器，其磁場探測靈敏度較現有技術提升約40倍，可揭示凝聚態材料中此前“不可見”的隱秘磁波動，為研究石墨烯、超導體等量子材料打開新窗口。
該方法基于實驗室培育的超高純度鉆石。這些鉆石比天然鉆石純凈得多，植入的缺陷極其微小，數十億個原子組成的晶格中僅缺失一個原子。由于這些缺陷會與磁場強烈相互作用，并且可以被精確設計，它們便成為極佳的磁場傳感器。
團隊在鉆石表面植入兩個相距僅約10納米的氮空位中心，使它們在量子力學層面發生相互作用并形成糾纏。糾纏狀態下，兩個缺陷如同“協同工作”的雙探針，可從噪聲背景中提取高度相關的磁信號，從而顯著提升靈敏度。此前類似研究多依賴原子陣列等理想體系，但新技術能夠直接在真實材料中探測磁現象。
氮空位中心的植入過程頗具技術挑戰。團隊以超過每秒3萬英尺的速度用氮分子轟擊鉆石，使分子解離成兩個氮原子，并在可控能量下穿透至鉆石表面下約20納米處。如此精確的深度與間距使氮原子電子自發產生量子糾纏，成為實現高靈敏度探測的關鍵。
這一突破使研究人員首次在原子尺度至可見光波長之間的關鍵區間，直接觀測此前難以獲取的磁噪聲與電子行為，包括電子在材料中傳播與散射的過程，以及超導材料在特殊條件下出現的磁通渦旋演化。
團隊表示，新型量子傳感器未來有望用于研究非常規超導、拓撲量子態等前沿課題，并為下一代量子材料設計提供實驗依據。
