近日，中國科學院物理研究所于曉輝研究員、潘新宇研究員、劉剛欽特聘研究員聯(lián)合團隊成功在兆巴高壓下實現(xiàn)了金剛石NV中心自旋量子調(diào)控和量子傳感。在這個工作中，研究人員在0-140 GPa范圍內(nèi)測量了金剛石微米顆粒中NV集群的光致發(fā)光譜(PL)和光探磁共振譜(ODMR)，實驗展示了金剛石NV量子傳感所需的核心元素，包括激光激發(fā)、微波調(diào)控、以及熒光讀出等，均可在近140 GPa的高壓下實現(xiàn)，而且其工作機理與常壓情況一致，用532 nm激光即可實現(xiàn)其自旋極化和讀出。

研究人員還在80 GPa高壓下實現(xiàn)了金剛石NV中心自旋量子態(tài)相干調(diào)控，并用該微區(qū)量子探針實現(xiàn)了磁場和應力張量的原位測量。這些結(jié)果為進一步提升NV量子傳感工作壓強指明了方向，包括制備更均勻和更好的靜水壓條件，以及提升NV熒光收集效率等。 研究結(jié)果加深了我們對金剛石NV中心自旋和光學性質(zhì)的理解，極大地拓展了金剛石自旋量子傳感的工作壓強區(qū)間，也為進一步提升其工作壓強和探測靈敏度給出了指引，有望促進量子傳感在凝聚態(tài)物理、材料科學、地球科學等領域前沿研究中的應用。

背景介紹

高壓極端條件是實現(xiàn)物態(tài)調(diào)控的重要手段之一。隨著金剛石對頂砧高壓技術的發(fā)展，人們已在實驗室內(nèi)獲得數(shù)百兆巴的高壓，這為地球內(nèi)核環(huán)境的實驗模擬，實現(xiàn)近室溫超導等重要科學問題提供了獨特的研究途徑。然而，在極端高壓下進行物性測量是極其挑戰(zhàn)的，尤其是磁性測量。一方面，兆巴高壓下樣品僅有數(shù)10微米，對應的信號極其微弱；另一方面，金剛石對頂砧外圍支撐結(jié)構一定程度上限制了可用測量方案。近年來，基于金剛石氮空位(NV)中心的量子傳感發(fā)展迅速，為高壓腔內(nèi)微區(qū)物性測量提供了有力工具，但該方案僅在60 GPa以下得到了原理驗證，進一步提升其工作壓強是高壓物性測量和自旋量子調(diào)控的共同需求。

圖文解析與研究內(nèi)容

首次在兆巴高壓(1 Mbar=100 GPa)下實現(xiàn)金剛石氮空位(Nitrogen-vacancy, NV) 中心光探磁共振實驗測量，獲得NV中心自旋和光學性質(zhì)隨壓強變化規(guī)律，極大地拓展了金剛石自旋量子傳感的工作區(qū)間。

編輯：黃飛