室温自旋光界面，在戊二烯：对三联苯中。图片来源：Physical Review Letters。（2024） doi：https：//doi.org/10.1103/PhysRevLett.133.120801

量子技术研究的突破可能有助于实现可在室温下工作的新一代精密量子传感器。

这项研究由来自格拉斯哥大学、伦敦帝国理工学院和新南威尔士大学悉尼分校的国际研究团队进行，展示了如何在环境条件下控制和灵敏地检测分子的量子态。

这些发现可能有助于解锁一类新型量子传感器，这些传感器可以通过以高灵敏度和空间分辨率测量磁场来用于探测生物系统、新型材料或电子设备。

通过使用分子作为量子传感器，基于该团队研究的未来设备可以以一种易于部署的方式测量低至纳米级的磁场。

在发表在《物理评论快报》杂志上的一篇题为“室温光学检测分子自旋的相干控制”的论文中，研究人员展示了他们如何操纵有机分子中一种称为“自旋”的特定量子特性，并用可见光对其进行测量，所有这些都在室温下进行。

该团队使用激光来对齐分子中电子的自旋，这些分子可以被认为是微小的量子机械磁体。使用精心定向的微波辐射脉冲，他们可以将这些自旋态控制成所需的量子态。然后，他们可以使用第二个激光脉冲从分子发出的可见光量来测量自旋的状态，该可见光量根据自旋的量子态而变化。

在他们的原理验证演示中，该团队使用了一种叫做五苯的有机分子，掺入一种叫做对三联苯的材料中的两种形式，包括晶体和薄膜，这可能会在未来的设备中开辟新的应用。

该团队表明，他们可以在室温下以光学方式检测分子的量子相干性（量子态所在的时间尺度），检测时间长达一微秒，比操纵状态所需的时间要长得多。

量子态可以维持的时间越长，未来的传感器可以收集到的有关它们与正在测量的属性相互作用的信息就越多。

格拉斯哥大学詹姆斯瓦特工程学院的 Sam Bayliss 博士是该小组的负责人，他说：“量子传感提供了一个令人兴奋的机会，可以以新的方式探索我们周围的世界，并有望以传统系统无法测量的方式测量磁场、电场或温度等物理量。

“通过证明我们可以在室温下光学检测分子中的量子相干性，这项工作提供了一个原理证明，即室温量子传感所需的关键特性可以在可以化学合成的系统中实现。”

“我们对这些结果可能带来的机会感到兴奋，从易于应用的短长度磁共振成像层，到具有量子增强灵敏度的探测生物系统。”

伦敦帝国理工学院材料系和伦敦纳米技术中心的 Max Attwood 博士领导了这项工作的合成和材料科学，他说：“这个演示特别令人兴奋，因为与无机传感器不同，分子可以以各种方式进行化学调整和部署。未来的研究可以增强它们的量子特性，针对更广泛的传感应用，并采用精确放置技术来有效地感知感兴趣的目标。

更多信息：Adrian Mena 等人，室温光学检测分子自旋的相干控制，物理评论快报（2024 年）。DOI： 10.1103/PhysRevLett.133.120801

期刊信息： Physical Review Letters