來自美國(guó)亞利桑那大學(xué)的教授助理Vanessa Huxter領(lǐng)導(dǎo)她的團(tuán)隊(duì)，首次利用超高速激光脈沖觀察到能量如何在含有氮空位中心(NV)的金剛石內(nèi)部活動(dòng)。這一新發(fā)現(xiàn)將量子計(jì)算技術(shù)又向前推進(jìn)了一大步。

        金剛石氮空位中心,即NV指的是金剛石晶體結(jié)構(gòu)中一個(gè)氮原子替代兩個(gè)毗鄰的碳原子,并與相鄰格點(diǎn)中存在的空位形成氮-空位中心的缺陷特征。金剛石的這種特征能產(chǎn)生科學(xué)家意想不到的優(yōu)越性能并應(yīng)用于多種先進(jìn)技術(shù)。

        該研究成果發(fā)表在《自然物理》上，對(duì)于研究者更深一步的理解金剛石在量子計(jì)算和分子的單原子成像技術(shù)等方面的特性有著重要幫助。

       “金剛石的這種缺陷有著特殊的光學(xué)和電子特性”，Huxter說，“我們可以利用光學(xué)方法，例如激光對(duì)氮空位缺陷加以操作，將其應(yīng)用在計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、傳感和分子結(jié)構(gòu)的成像等技術(shù)領(lǐng)域。

        英國(guó)攝影師Eadweard Muybridge曾提出著名的“運(yùn)動(dòng)馬”理論（下圖所示），開創(chuàng)了高速運(yùn)動(dòng)攝像的技術(shù)先河。該理論描述了馬在奔跑時(shí)的高速運(yùn)動(dòng)成像過程。Huxter此次主持的超高速激光脈沖原理跟“運(yùn)動(dòng)馬”的原理就相類似。

        為了將激光脈沖技術(shù)應(yīng)用到量子計(jì)算領(lǐng)域，首先要對(duì)激光脈沖的基礎(chǔ)特性有所研究了解。Huxter的團(tuán)隊(duì)是第一個(gè)實(shí)時(shí)研究金剛石晶體中超高速動(dòng)力學(xué)的團(tuán)隊(duì)。激光脈沖系統(tǒng)中，“振動(dòng)模式”這一課題非常重要，它決定了系統(tǒng)的局部環(huán)境，還有可能用于信息處理。

        為理解這一技術(shù)概念，研究者首先描繪出了金剛石的晶體結(jié)構(gòu)：一種高度有序排列且重復(fù)的三維碳原子晶格。然而，金剛石結(jié)構(gòu)中的碳原子不是按照常規(guī)排列方式聚合在一起的，而是來回的搖擺振動(dòng)，像是一串串的穿在細(xì)繩上。當(dāng)?shù)瘴蝗毕葜袛噙@些統(tǒng)一的碳晶格時(shí)，振動(dòng)特性便發(fā)生變化，從而通過激光脈沖來操作控制。

        實(shí)驗(yàn)利用激光束將高能量輸送并穿過金剛石內(nèi)部，激光脈沖將氮空位中心的電子撞擊到了一個(gè)更高的能量量級(jí)，即物理學(xué)中所說的激發(fā)態(tài)。一段時(shí)間后，電子在松弛效應(yīng)下又恢復(fù)到了基態(tài)，并將能量耗散至周圍。

        電子的松弛效應(yīng)僅有十億分之一秒，持續(xù)時(shí)間極短；為方便觀察振動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的超快松弛的影響，Huxter的團(tuán)隊(duì)利用了超高速激光脈沖技術(shù)。

        能量是如何穿過金剛石晶體，又是如何影響氮空位中心附近的振動(dòng)，弄清楚這兩點(diǎn)對(duì)于如何利用激光脈沖技術(shù)至關(guān)重要。而此前，該技術(shù)尚未被攻破。

        “這是我們首次直接觀察到實(shí)時(shí)的振動(dòng)光譜”， Huxter說。研究者利用二維電子光譜技術(shù)創(chuàng)造了一個(gè)二維關(guān)聯(lián)的“地圖”，方便觀察整個(gè)系統(tǒng)是如何從激發(fā)態(tài)松弛恢復(fù)到基態(tài)的。

        以分子、原子的尺寸將能量穿行金剛石的整個(gè)過程以超高速成像的技術(shù)慢化、清晰化，就可以觀察到能量在整個(gè)系統(tǒng)中的穿行過程并為每個(gè)細(xì)節(jié)拍照；同時(shí)還能觀察到能量從哪里輸入，從哪里輸出。

        在超快光譜技術(shù)領(lǐng)域，十億分之一秒可以說就是一百年的時(shí)間，Huxter打了個(gè)比喻。借助激光脈沖有著毫微微秒的時(shí)間分辨率，即一秒的十億分之一的一百萬(wàn)分之一，科學(xué)家們借此得以清晰地觀察到氮空位中心附近的原子振動(dòng)。這些振動(dòng)在毫微微秒內(nèi)有著量子相干性。

        目前，Huxter還在探索將金剛石晶體中的原子替換掉會(huì)有何反應(yīng)，其原有的特性是否會(huì)發(fā)生變化。

       在Huxter的實(shí)驗(yàn)方案中，金剛石就像是一扇透明的窗戶，從中可以清晰的觀察到氮空位缺陷，而科學(xué)家們正是利用激光脈沖完成了氮空位缺陷的能量吸收。（編譯自"Flawed diamonds: Gems for new technology"）