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納米金剛石——量子領(lǐng)域科研利器
閱讀：73 發(fā)布時間：2022-4-6香港中文大學(xué)物理系楊森教授與吳瑞權(quán)教授攜手率領(lǐng)研究團隊，利用納米金剛石中的色心（color center）來研究量子材料在條件下的性質(zhì)。由于色心對磁場非常敏感，這使研究人員能夠在低溫（高于零度7度）和高壓（約數(shù)萬倍大氣壓力）的情況下，獲得超導(dǎo)體的磁場性質(zhì)。這項嶄新的技術(shù)為研究量子材料提供了新的渠道。研究成果已刊登于國際學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志，同期另有兩篇相關(guān)研究由巴黎大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校發(fā)表。
量子材料研究與量子信息科學(xué)的耦合
為推進第二次量子革命，加深對量子材料的認識尤為重要。量子材料通常在極低溫條件下會展現(xiàn)出一些奇特的性質(zhì)，例如超導(dǎo)現(xiàn)象等。超導(dǎo)體除了電阻為零外，還會排斥內(nèi)部的磁場，這種現(xiàn)象叫做邁斯納效應(yīng)。這些現(xiàn)象只會在低溫條件下發(fā)生。如果我們能找到一些材料即使不在低溫下也能展現(xiàn)超導(dǎo)性質(zhì)，將會帶來革命性的變化。最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)LaH10-δ在相對高溫下（約260K/-13°C），大約是地球冬天的溫度，依然能夠保持超導(dǎo)特性，盡管這個材料需要被加壓到兩百萬倍的大氣壓力。由此可見，將材料在低溫條件下加高壓能夠改變和調(diào)控電子之間的相互作用，從而使我們能夠探索量子材料的性質(zhì)。但是，要將傳統(tǒng)的電路放在壓力腔內(nèi)用作磁性測量是一項十分困難的任務(wù)。正因如此，楊森教授與吳瑞權(quán)教授攜手合作，以楊教授在量子測量和量子光學(xué)領(lǐng)域的專長，和吳教授在物理領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗，和希望共同解決眼前這個難題。
色心是一種晶體缺陷，而在金剛石中的色心則能夠成為高效的量子傳感器件，它極有希望在未來眾多的量子科技當(dāng)中占據(jù)重要的一席之地。其中，帶負電的氮空位色心（NV-）是希望的一種色心。這種色心也是金剛石中見的一種缺陷，它使得金剛石略微帶有粉色或黃色。這些NV-色心對電場、磁場、力和溫度非常敏感，在高壓腔下也能精準地測量局域磁場。所以，中大的研究人員想利用NV-色心這個微觀量子傳感器件來研究材料在高壓下的性質(zhì)。材料會在進入超導(dǎo)態(tài)時具有*抗磁性從而排斥所有內(nèi)部的磁場。利用這一點，研究人員通過金剛石顆粒（約1微米）和NV-色心的特性，將超導(dǎo)體附近的磁場精確地測量出來。中大研究組巧妙的利用NV色心的特性，不僅測出了磁場的大小，更是在這種環(huán)境測出了磁場的矢量，更直觀的展現(xiàn)了邁斯納效應(yīng)。
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對社會的影響
NV-色心除了能夠測量磁場外，還能夠測量電場和力。所以，這項技術(shù)可以用于研究材料的不同性質(zhì)。最終，我們期望這項技術(shù)會更新量子材料現(xiàn)有的設(shè)計方案，并且能夠得到社會各界的廣泛應(yīng)用。這項嶄新的測量技術(shù)也能夠提升香港計量學(xué)和高精度測量界的技術(shù)水平。
關(guān)于研究團隊
楊森教授的團隊主要研究固態(tài)體系中的量子信息科學(xué)，包括量子計算、量子通訊和量子測量。其團隊利用NV-色心的特性在不同場景下展開應(yīng)用，包括快速操縱并精確測量自旋態(tài)，制作光學(xué)量子寄存器用作量子信息處理，建立光量子網(wǎng)絡(luò)和測量強關(guān)聯(lián)電子體系的超導(dǎo)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。
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吳瑞權(quán)教授的團隊主要研究條件下強關(guān)聯(lián)電子體系的性質(zhì)，例如在高壓，強場和低溫等環(huán)境下來研究強關(guān)聯(lián)電子體系（SCES）的組成、磁學(xué)性質(zhì)和電子傳導(dǎo)機制。其實驗室擁有*的液氦稀釋制冷機和產(chǎn)生強磁場的裝置，能夠?qū)悠方禍刂翈譵K并且對其施加達到14T的磁場。這使得團隊成員能夠測量單晶材料的量子振蕩現(xiàn)象和費米面形態(tài)。
這次研究使用的高品質(zhì)單晶樣品BaFe2(As,P)2是由京都大學(xué)和東京大學(xué)的團隊所提供。
香港中文大學(xué)和大學(xué)教育資助委員會資助本研究香港的部分。
三篇文章鏈接如下：
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CUHK: doi:10.1126/science.aaw4278
Paris: doi:10.1126/science.aaw4329
Berkeley: doi:10.1126/science.aaw4352
鉆石除了裝飾，現(xiàn)在已經(jīng)開始成為科研的新的利器
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中大團隊成員：（從左到右）楊森，葉景佑，何健安，余經(jīng)燿，陳旸，張威，吳瑞權(quán)
實驗示意圖，邁斯納效應(yīng)示意圖，以及測量的樣品附近不同位置的磁場矢量隨著溫度的變化圖。
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