左图：显示嵌入氮 14 核自旋的悬浮金刚石的示意图。右图：显示其极化的自旋能级。图片来源：Julien Voisin。
《物理评论快报》上的一项新研究表明，使用核磁共振 （NMR） 使微粒悬浮，从生物学到量子计算都有潜在意义。
NMR 是一种波谱技术，通常用于根据原子核对外部磁场的响应来分析各种材料。这提供了有关材质的内部结构、动力学和环境的信息。
NMR 的主要挑战之一是在小物体上使用它来控制悬浮微粒的量子特性。
本研究中的研究人员希望解决以前在研究此特定应用时遇到的限制，包括高磁场、亚开尔文温度和大体积尺寸的要求。
Phys.org 与该研究的第一作者 Julien Voisin 进行了交谈，他是法国 LPENS（高等师范体质实验室）的博士生。
在谈到微粒的选择以及促使他们使用 NMR 的原因时，Voisin 说：“一位以前的博士生能够测量电子自旋，但它们的短暂寿命使得有效研究它们具有挑战性。这让我们专注于核自旋，我们已经在圈闭外的固定金刚石上成功测量了这种自旋。
NMR 的工作原理包含奇数个质子和/或中子的原子核具有称为自旋的特性。
当放置在外部磁场中时，这些自旋可以与磁场对齐或逆向。这种现象被称为塞曼效应，导致能级分裂成两个或多个离散能级。
在 NMR 中，除了前一个磁场外，还施加了一个微弱的振荡磁场，使原子核吸收能量并在这些能级之间转换。
当振荡场关闭时，原子核恢复到原来的能量状态，以光子的形式发射能量。这些光子被检测为电磁信号，并且对于每个原子都是唯一的，充当指纹。
因此，NMR 是研究材料结构和特性的常用方法，也可以扩展到研究量子系统。
在量子系统中，尤其是那些使用核自旋进行量子信息处理的量子系统中，NMR 可用于控制和测量粒子的自旋状态，使其成为研究退相干性的宝贵工具。
然而，如前所述，在小物体上使用 NMR 是一个持续的挑战。
钻石是解决方案为了解决这个问题，研究人员选择了微金刚石作为他们的颗粒。然而，这些钻石有一个缺陷 — 氮空位 （NV） 中心。
当金刚石晶格中的氮原子取代碳原子时，就会形成 NV 色心，并且相邻的晶格位点保持空置。NV 色心具有独特的量子特性，例如与磁场相互作用以及存储和操纵量子信息的能力。
“钻石可以容纳光学活性的晶体缺陷，通常称为色心。这些色心可以有许多有趣的应用，其中 NV 色心因其电子自旋和光学特性而被广泛用于物理学，“Voisin 解释说。
微金刚石的直径为 10-20 微米。他们研究的独特之处在于使用电动 Paul 陷阱来悬浮这些微钻石。
电 Paul 陷阱由两组电极组成，用于产生振荡电场。这个场会产生一个电位井，将微金刚石限制在空间中，使它们能够悬浮。
“使用悬浮系统进行核磁共振的吸引力在于获得核自旋并利用其特性，例如较长的相干时间，”Voisin 解释说。
悬浮还具有其他优点，包括较少的环境干扰，以及无需任何物理接触即可精确操纵微粒。这些因素显著提高了 NMR 技术的可靠性和精密度。
使用电子自旋操纵核自旋最终目标是操纵和控制微钻石的核自旋，从而获得对系统量子态的控制。研究人员通过控制 NV 中心的电子状态来实现这一目标。
由于氮的自由电子，NV 中心具有电子自旋态。这些电子自旋态可以使用极化来操纵，然后这种操纵可以转移到核自旋上。
研究人员使用绿色激光对 NV 中心的电子状态进行极化。在此之后，他们使用一种称为动态核极化或 DNP 的方法利用电子和核自旋之间的超精细相互作用。
This method allowed them to transfer the polarization from the electronic to the nuclear spins, enabling the manipulation of the nuclear spins and thereby, the quantum state of the system.
改进的相干时间和潜在应用研究人员的方法使他们能够在几百微秒（约 120 微秒）的范围内实现悬浮微金刚石的核自旋相干性。这比以前的研究提高了三个数量级。
虽然结果表明与以前的研究相比向前迈进了一步，但 Voisin 指出，“这个实验的目标不是与 NMR 研究竞争，而是表明 NMR 可以在悬浮系统中实现，以及可预见的自旋力学和快速旋转应用。
虽然 Voisin 目前的实验装置尚未立即应用于生物学和量子计算，但两个有前途的应用包括冷却宏观粒子和陀螺仪。
对于冷却，光镊中的电流反馈冷却不适用于真空中的金刚石，因为它们会石墨化和断裂。然而，使用核自旋的自旋冷却可以实现基态冷却，因为与电子自旋相比，它们的相干时间更长。
在陀螺仪中，核自旋的较小陀螺磁比使其成为测量快速旋转的悬浮粒子产生的赝磁场的理想选择。这种小比率可以通过增强对旋转运动的灵敏度来提高陀螺仪应用的精度。
更多信息：J. Voisin 等人，悬浮微粒子的核磁共振，物理评论快报（2024 年）。DOI：10.1103/PhysRevLett.133.213602。在 arXiv 上： DOI： 10.48550/arxiv.2407.19754
期刊信息： Physical Review Letters ， arXiv
