金剛石中一種被稱為氮空位 (NV) 中心的特定類型的自旋缺陷因其在各種量子應用中的潛在用途成為研究最廣泛的系統之一。NV 中心的自旋對任何物理、電或光學干擾都很敏感，使得它們成為潛在的高度敏感探測器。固態自旋缺陷是最有前途的量子平臺之一，然而許多有趣的特性只有在自旋缺陷密度變化時才能顯現出來。通過創建更密集的缺陷集合來增加相互作用強度也會帶來更多的退相干。理想情況下，人們希望隨意控制自旋濃度，同時保持固定的退相干效應。

研究人員工作中使用的激光設備

       研究人員表明，通過利用電荷傳輸，可以朝這個方向采取一些步驟，同時表征電荷傳輸及其通過缺陷的捕獲。通過利用金剛石中 NV 中心電離和重組的循環過程，將電子從價帶泵送到導帶。然后傳輸這些電荷，通過改變材料缺陷的電荷狀態來調節自旋濃度。通過開發與快速單光子探測器陣列集成的寬視場成像裝置，通過以微米級空間分辨率測量旋轉浴的完整光譜，實現了電荷重新分布過程的直接有效的表征。

       該研究證明了主要自旋缺陷的濃度增加了兩倍，同時保持NV中心的T2相對不變，這也提供了通過超精細相互作用抑制自旋觸發器的潛在實驗證明。該項工作為研究混合電荷自旋系統中具有時間和空間可調相互作用強度的多體動力學鋪平了道路。相關研究以“Manipulating solid-state spin concentration through charge transport”為題發表在《PNAS》上。

       圖文導讀

       光照下電子自旋種的再分布

       電荷態的壽命

       想干時間成像

       總結

       該研究提出并演示了通過電荷傳輸來操控金剛石中的自旋濃度。利用光誘導電荷在不同自旋物種之間的重新分布，不同自旋物種之間的翻轉抑制不同，探針（NV）自旋的相干時間相對不變。除了在序列重復下表征系統的穩態外，研究人員還展示了表征電荷動態的可行性。該工作通過測量DEER光譜提供了一種靈活的工具，可以表征材料，包括電荷和自旋動態。

       近年來，固態缺陷已經顯示出在探索流體力學方面的潛力，旨在彌合微觀量子定律與宏觀經典現象之間的差距。自旋集合中的天然偶極相互作用可作為一個多用途平臺，用于設計和表征多體量子自旋系統。該工作提供了在同一材料中在這些自旋傳輸實驗中臨時和空間上調整自旋濃度的方法，同時保持自旋相干時間。此外，將電荷自由度引入系統，為用兩種耦合的傳輸機制設計多體系統提供了更靈活的平臺。

       進一步將設置與波長可調的激光集成，可以更精確地揭示缺陷能級與材料能帶之間的關系，從而在將實驗與第一性原理計算相結合時，能夠識別出各種缺陷。這種指紋能夠更完整地重建局部電荷和自旋環境。將電荷密度控制與自旋到電荷轉換相結合，為通過電荷載流子的相干傳輸量子信息以及按需產生其他量子自旋缺陷鋪平了道路。此外，提高局部電荷密度的光學可調性對于通過激光束成形開發電荷透鏡是具有前景的。

       文章來源：https://doi.org/10.1073/pnas.2305621120