科学家打造出新型钻石量子传感器

在比光波长更小的空间里，电流与磁场的行为常常超出直觉难以直接观测。据最新一期《自然》杂志报道，美国普林斯顿大学研究团队基于工程化钻石缺陷打造出新型钻石量子传感器，其磁场探测灵敏度较现有技术提升约40倍，可揭示凝聚态材料中此前“不可见”的隐秘磁波动，为研究石墨烯、超导体等量子材料打开新窗口。

该方法基于实验室培育的超高纯度钻石。这些钻石比天然钻石纯净得多，植入的缺陷极其微小，数十亿个原子组成的晶格中仅缺失一个原子。由于这些缺陷会与磁场强烈相互作用，并且可以被精确设计，它们便成为极佳的磁场传感器。

团队在钻石表面植入两个相距仅约10纳米的氮空位中心，使它们在量子力学层面发生相互作用并形成纠缠。纠缠状态下，两个缺陷如同“协同工作”的双探针，可从噪声背景中提取高度相关的磁信号，从而显著提升灵敏度。此前类似研究多依赖原子阵列等理想体系，但新技术能够直接在真实材料中探测磁现象。

氮空位中心的植入过程颇具技术挑战。团队以超过每秒3万英尺的速度用氮分子轰击钻石，使分子解离成两个氮原子，并在可控能量下穿透至钻石表面下约20纳米处。如此精确的深度与间距使氮原子电子自发产生量子纠缠，成为实现高灵敏度探测的关键。

这一突破使研究人员首次在原子尺度至可见光波长之间的关键区间，直接观测此前难以获取的磁噪声与电子行为，包括电子在材料中传播与散射的过程，以及超导材料在特殊条件下出现的磁通涡旋演化。

团队表示，新型量子传感器未来有望用于研究非常规超导、拓扑量子态等前沿课题，并为下一代量子材料设计提供实验依据。