鉆石量子傳感極限突破：科學(xué)家揪出了表面噪聲的“真兇”

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鉆石，通常象征著永恒與純潔，但在量子物理學(xué)家的眼中，它卻是極其敏感的探測(cè)器。

鉆石內(nèi)部的氮-空位中心，也就是我們常說(shuō)的NV色心，是目前世界上最為敏感的量子傳感器之一。它能在室溫下工作，探測(cè)到極其微弱的磁場(chǎng)和電場(chǎng)。

這種傳感器有一個(gè)致命的弱點(diǎn)：當(dāng)它為了探測(cè)目標(biāo)而靠近鉆石表面時(shí)，其量子相干性會(huì)迅速喪失。這就像是一個(gè)擁有超級(jí)聽(tīng)力的偵探，剛走到窗邊，就被外面的嘈雜聲吵聾了耳朵。

長(zhǎng)期以來(lái)，科學(xué)家們一直不知道這“嘈雜聲”究竟來(lái)自哪里。2026年2月6日，美國(guó)芝加哥大學(xué)和阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)在《物理評(píng)論材料》上發(fā)表了一項(xiàng)重磅研究。他們終于找到了制造這種噪聲的“真兇”，并揭示了其微觀運(yùn)作機(jī)制。

過(guò)去，學(xué)術(shù)界對(duì)NV色心靠近表面時(shí)的失效機(jī)制一直存在困惑。

研究人員發(fā)現(xiàn)，當(dāng)NV色心距離表面只有幾納米時(shí)，其量子態(tài)的相干時(shí)間會(huì)急劇下降。大家普遍認(rèn)為，這是表面存在未知的自旋缺陷，也就是所謂的“X自旋”或“暗自旋”在搗亂。

這些看不見(jiàn)的缺陷被認(rèn)為會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)的磁場(chǎng)波動(dòng)，從而干擾NV色心的狀態(tài)。但這個(gè)解釋一直停留在猜測(cè)階段，缺乏確鑿的物理證據(jù)。

這項(xiàng)新研究通過(guò)第一性原理計(jì)算和量子動(dòng)力學(xué)模擬，給出了顛覆性的結(jié)論。研究人員發(fā)現(xiàn)，問(wèn)題的核心不僅僅是表面有沒(méi)有自旋，更重要的是這些自旋在“動(dòng)”。

表面噪聲本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的。罪魁禍?zhǔn)撞⒎庆o止的缺陷，而是那些在表面原子間不斷跳躍的電子。

這種跳躍行為產(chǎn)生了隨時(shí)間變化的磁場(chǎng)。正是這種不斷變化的磁場(chǎng)，像一只無(wú)形的大手，擾亂了NV色心的量子態(tài)，導(dǎo)致傳感器失效。

既然找到了真兇，下一步自然就是如何“制服”它。

研究團(tuán)隊(duì)深入探討了鉆石表面的化學(xué)處理方式對(duì)噪聲的影響。鉆石表面的原子結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，制造過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生“懸掛鍵”。這些未配對(duì)的電子就像一個(gè)個(gè)不安分的游子，極易四處游走。

通過(guò)計(jì)算模擬，研究人員對(duì)比了不同化學(xué)終端對(duì)NV色心相干性的影響。結(jié)果非常清晰：表面的化學(xué)修飾決定了傳感器的性能上限。

數(shù)據(jù)顯示，氧終端和氮終端的表面表現(xiàn)最好。在這種處理下，即便NV色心距離表面只有幾納米，也能保持接近體材料的相干性。

相比之下，氫終端和氟終端的表現(xiàn)就差強(qiáng)人意了。這兩種表面處理方式會(huì)引入更強(qiáng)的磁噪聲，導(dǎo)致相干時(shí)間大幅縮短。

這就為制造高性能鉆石量子傳感器提供了明確的工藝指南：想要傳感器靈敏，就得給鉆石表面“穿”對(duì)衣服。

這項(xiàng)研究的意義，不僅在于解釋了一個(gè)現(xiàn)象，更在于它連接了理論與實(shí)驗(yàn)的鴻溝。

在過(guò)去的十多年里，鉆石量子傳感技術(shù)發(fā)展迅速。科學(xué)家們利用NV色心實(shí)現(xiàn)了單分子層面的磁共振成像，甚至在材料科學(xué)和生物學(xué)中取得了突破。

但是，隨著NV色心被做得越來(lái)越淺，以便更接近待測(cè)樣本，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論預(yù)測(cè)的偏差越來(lái)越大。實(shí)驗(yàn)中觀察到的噪聲，遠(yuǎn)比理論模型預(yù)測(cè)的要復(fù)雜。

芝加哥大學(xué)的這項(xiàng)研究，首次將表面電子的弛豫和跳躍運(yùn)動(dòng)納入考量。當(dāng)模型中加入這些動(dòng)態(tài)因素后，理論曲線與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完美吻合。

這意味著，我們終于掌握了制約鉆石量子傳感靈敏度極限的物理規(guī)律。這為未來(lái)的量子器件設(shè)計(jì)提供了堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。

有了這張“地圖”，工程師們就可以有針對(duì)性地優(yōu)化表面工程，從而制造出性能更強(qiáng)大的量子傳感器。

將目光投向國(guó)內(nèi)，中國(guó)在鉆石量子傳感領(lǐng)域早已不是旁觀者。

事實(shí)上，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)、中國(guó)科學(xué)院等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)，在NV色心的高靈敏度探測(cè)和應(yīng)用方面處于國(guó)際第一梯隊(duì)。例如，杜江峰院士團(tuán)隊(duì)曾在單分子和單細(xì)胞層面的微觀磁共振研究中取得過(guò)世界級(jí)成果。

在材料制備方面，國(guó)內(nèi)也擁有具備國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的化學(xué)氣相沉積（CVD）鉆石生長(zhǎng)技術(shù)。在納米加工和表面處理的精細(xì)控制上，如何最大限度地減少表面噪聲，一直是中國(guó)科研人員面臨的棘手難題。

此前，國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)大多依靠大量的實(shí)驗(yàn)試錯(cuò)來(lái)尋找最佳工藝，缺乏微觀層面的理論指導(dǎo)。

美國(guó)這項(xiàng)最新的理論研究成果，實(shí)際上為中國(guó)同行提供了一份寶貴的“說(shuō)明書”。它指明了表面電子跳躍是主要噪聲源，并驗(yàn)證了氧終端等處理方案的有效性。

這不僅能幫助國(guó)內(nèi)團(tuán)隊(duì)快速優(yōu)化現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)方案，減少試錯(cuò)成本，更有可能啟發(fā)新的表面鈍化技術(shù)。

依托于國(guó)內(nèi)強(qiáng)大的實(shí)驗(yàn)技術(shù)積累和材料加工能力，一旦掌握了消除表面噪聲的關(guān)鍵鑰匙，中國(guó)完全有潛力在下一代量子傳感器的研發(fā)和應(yīng)用上實(shí)現(xiàn)領(lǐng)跑。

從聽(tīng)懂噪聲到消除噪聲，量子傳感器的未來(lái)，或許比我們想象的還要近。