超越量子极限的介观磁共振探测

【摘要】：认识自然是人类永恒的追求。然而,测量的精度限制着人类认识自然的程度,因此实现更高精度的测量是科学研究的永恒主题。随着上世纪量子力学的诞生,人们认识到自然界存在着一条深刻的基本规律,它在最底层限制着测量的精度,被称为海森堡测不准原理。在后来更为深入的研究中,人们发现对于多个相互独立的量子传感器存在着一个明确的测量精度极限,被称为标准量子极限。更有趣的是,量子纠缠,被爱因斯坦称为幽灵般的相互作用以反驳量子力学的哥本哈根诠释,可被用作一种量子资源来突破标准量子极限,达到测量精度的极限——海森堡极限。这些发现引起了广泛的研究兴趣,并逐渐形成了一个专门的研究领域——量子度量学,是量子精密测量领域的重要组成部分。本文将围绕这两个量子极限展开研究。在这个领域展开研究的实验体系有很多,比如离子阱,冷原子,热原子,玻色-爱因斯坦凝聚体,光子和机械振子等。金刚石固态自旋体系(氮-空位缺陷色心),因其易初始化,光读出以及室温下优异的相干性质等特点在最近十余年来发展迅猛,但其涉及量子度量学方面的研究仍成果寥寥。目前,因其可作为原子尺度探针的特点,在微观磁探测方面具有独特的优势,已实现了对单个电子自旋和核自旋小系综的磁共振探测。然而,其测磁灵敏度相对较差,远未达到量子极限。本文将致力于提高它的测磁灵敏度至标准量子极限,同时突破单色心的能量分辨极限。进一步,利用多比特纠缠使得相位灵敏度突破标准量子极限,以至接近海森堡极限。为了实现上述目标,需要对该自旋体系的基本控制做一个全面的提升,包括高保真度的纯态制备,高保真度的非局域门以及高保真度的投影测量。这里涉及众多困难的技术实现:高保真度的纯态制备需要借助实时反馈制备负电荷态,施加脉冲激光序列极化电子自旋以及动力学核极化;高保真度的非局域门需要准确描述环境磁噪声,并通过最优控制设计形状脉冲来抵抗磁噪声和控制噪声;高保真度的投影测量需要高稳定的强磁场(～0.8 T)以及高频微波(～25 GHz)并借助重复读出技术来实现。此外,对于多比特的非局域操控需要与电子自旋有强耦合的核自旋,包括伴随缺陷的氮核自旋以及在缺陷周围随机分布的碳十三核自旋。其耦合参数被高精度地测量,达到了赫兹级精度,基于此我们检验了氮-空位缺陷的全同性。我们还提出了一种固态类原子钟的设想,具有高鲁棒性及易集成等优势,未来有望实现商用。接下来,我们利用这个兼具高测磁灵敏度和高空间分辨率的磁探针,实验实现了微观磁共振探测。这里我们选择的探测尺度为50纳米-10微米,本文将其定义为介观尺度,是目前传统磁共振技术无法涉足的领域。然而,在介观尺度上进行磁共振探测仍然是一个新兴领域,因此我们首先建立了一套完整的探测方法及磁信号计算的理论分析框架。然后依据这个理论框架,我们分别实现了介观尺度上的顺磁共振以及核磁共振探测。未来,我们将利用这里发展的方法和技术,广泛地展开细胞生物学和材料科学等领域存在的介观磁现象的研究。