基于氮-空位单电子自旋探针的微观核磁共振技术取得阶段 ...

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/19 06:48:29
http://www.hfnl.ustc.edu.cn/2013/0210/3784.html
近日,我室杜江峰教授研究组与德国斯图加特大学的J. Wrachtrup教授组合作,成功实现了(5nm)3体积样品质子信号的检测,取得微观核磁共振技术的突破性进展。该实验利用掺杂金刚石中距表面7纳米深度的氮-空位单电子自旋作为原子尺度磁探针,分别实现了(5nm)3体积液体和固体有机样品中质子信号的检测,其中包括的质子总数为一万个,其产生的磁信号强度相当于100个统计极化的核自旋。此实验为微观磁共振技术的应用奠定了坚实的基础。该研究成果于2月1日发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上[Science 339, 561 (2013)]。
  自旋在物质中广泛存在,因而自旋磁共振技术能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息,是当代科学中最为重要的物质探索技术之一。一般的自旋磁共振谱仪基于系综探测原理,它的测试对象是含有百亿个以上相同自旋的系综样品。然而,近年来随着物质科学探索的不断深入,人们开始逐渐从统计平均测量向直接探测单量子的信息迈进。在自旋磁共振领域,实现微观磁共振,甚至单自旋磁共振是这一方向发展的极为重要的科学目标。为实现这一科学目标,杜江峰教授及其合作者选取了基于掺杂金刚石中氮-空位(NV)对的固态单自旋作为探针,代替传统的电探测方式,用基于此体系单自旋态制备成量子干涉仪,将微观自旋体系产生的弱磁信号转为干涉仪的相位,从而实现高灵敏度的信号检测。
  在双方及其他合作者在相关领域已有的研究基础上,中德科学家经过两年多的努力,逐步解决了此实验成功所需的关键技术:近表面NV的制备和处理(Wrachtrup's group, NJP 12, 065017, 2010)及动力学解耦(Du's group, Nature 461, 1265, 2009)。这两项技术是首次成功实现(5nm)3体积液体和固体有机样品中质子信号检测不可或缺的基础。
  2月1日出版的同期《科学》杂志上[Science 339, 561 (2013)],还发表了另一篇类似工作[Science 339, 557 (2013)],这是由美国IBM的D. Rugar和美国加利福尼亚大学圣芭芭拉的D. Awschalom合作完成的,他们同样利用NV磁探针,成功实现了(24nm)3体积有机样品的核磁信号的检测。本期杂志上,由P. Hemmer撰写的评论称,此两项工作“利用基于钻石的纳米磁强计,有效的减小了磁共振成像(MRI)的可探测体积到单个蛋白质分子水平。”[Science 339, 529 (2013)] http://www.hfnl.ustc.edu.cn/2013/0210/3784.html
近日,我室杜江峰教授研究组与德国斯图加特大学的J. Wrachtrup教授组合作,成功实现了(5nm)3体积样品质子信号的检测,取得微观核磁共振技术的突破性进展。该实验利用掺杂金刚石中距表面7纳米深度的氮-空位单电子自旋作为原子尺度磁探针,分别实现了(5nm)3体积液体和固体有机样品中质子信号的检测,其中包括的质子总数为一万个,其产生的磁信号强度相当于100个统计极化的核自旋。此实验为微观磁共振技术的应用奠定了坚实的基础。该研究成果于2月1日发表在国际权威学术期刊《科学》杂志上[Science 339, 561 (2013)]。
  自旋在物质中广泛存在,因而自旋磁共振技术能够用来准确、快速和无破坏性地获取物质的组成和结构上的信息,是当代科学中最为重要的物质探索技术之一。一般的自旋磁共振谱仪基于系综探测原理,它的测试对象是含有百亿个以上相同自旋的系综样品。然而,近年来随着物质科学探索的不断深入,人们开始逐渐从统计平均测量向直接探测单量子的信息迈进。在自旋磁共振领域,实现微观磁共振,甚至单自旋磁共振是这一方向发展的极为重要的科学目标。为实现这一科学目标,杜江峰教授及其合作者选取了基于掺杂金刚石中氮-空位(NV)对的固态单自旋作为探针,代替传统的电探测方式,用基于此体系单自旋态制备成量子干涉仪,将微观自旋体系产生的弱磁信号转为干涉仪的相位,从而实现高灵敏度的信号检测。
  在双方及其他合作者在相关领域已有的研究基础上,中德科学家经过两年多的努力,逐步解决了此实验成功所需的关键技术:近表面NV的制备和处理(Wrachtrup's group, NJP 12, 065017, 2010)及动力学解耦(Du's group, Nature 461, 1265, 2009)。这两项技术是首次成功实现(5nm)3体积液体和固体有机样品中质子信号检测不可或缺的基础。
  2月1日出版的同期《科学》杂志上[Science 339, 561 (2013)],还发表了另一篇类似工作[Science 339, 557 (2013)],这是由美国IBM的D. Rugar和美国加利福尼亚大学圣芭芭拉的D. Awschalom合作完成的,他们同样利用NV磁探针,成功实现了(24nm)3体积有机样品的核磁信号的检测。本期杂志上,由P. Hemmer撰写的评论称,此两项工作“利用基于钻石的纳米磁强计,有效的减小了磁共振成像(MRI)的可探测体积到单个蛋白质分子水平。”[Science 339, 529 (2013)]
前几天已经发布了量子逻辑门和确定性单光子源两个成果,科大这速度爆表了
应该发到科学版。

这个又是科大的?科大这么屌?
又没看懂…………为什么又说又呢?
动力学解耦是杜2009年发表在自然上的成果
应该发到科学版。 这个又是科大的?科大这么屌?
发到这也没错,讨论畅谈这些都可以谈。
我们要习惯世界一流兄弟。
貌似体积小结果更好
http://www.hfnl.ustc.edu.cn/2009/1029/1313.html
 近日,合肥微尺度物质科学国家实验室量子物理与量子信息研究部杜江峰教授领导的研究小组和香港中文大学刘仁保教授合作,通过电子自旋共振实验技术,在国际上首次通过固态体系实验实现了最优动力学解耦,极大地提高了电子自旋相干时间。该成果发表10月29日出版的国际权威杂志《自然》上。审稿人认为“该工作有效地保持了固态自旋比特的量子相干性,对固态自旋量子计算的真正实现具有极其重要的意义”。
  同期《自然》的《新闻与展望》栏目还发表评述文章中指出:“量子系统不可避免的信息流失局限其现实的应用。然而杜江峰与其同事的研究表明,通过精巧的脉冲控制,使得固态体系环境对电子量子比特的不利影响被降到最小,从而大大减少了量子体系中量子信息的流失。他们所使用的量子相干调控技术被证明是一种可以帮助人们理解并且有效对抗量子信息流失的一个重要资源,取得的研究进展的重要性在于极大提升了现实物理体系的性能,从而朝实现量子计算迈出重要的一步。”
  将量子力学和计算机科学结合并实现量子计算是人类的一大梦想。量子计算的本质就是利用量子的相干性,而在现实中,由于环境不可避免地会对量子系统发生耦合干扰,使量子的相干性随时间衰减,发生消相干,使得计算任务无法完成。因此,为了使量子计算成为现实,一个首要急需解决的问题就是克服消相干。
  杜江峰教授介绍说,以分解500位的自然整数为例,目前最快的计算机需要用几十亿年才能完成,而用量子计算机,同样的重复频度,一分钟就可以解决。但量子计算如同人类思考问题,也需要一定时间。其时间长短取决于量子的相干性,相干性保持时间越长,量子计算机就可以处理复杂程度更高、难度更大的信息,因此,提高量子相干性,对提高量子计算机的能力十分关键。
  为了保持量子相干性,物理学家提出了很多种方法,其中,最优动力学解耦是最有效的方法之一。杜江峰教授介绍说,最优动力学解耦方法就是通过一串精心设计的微波脉冲直接作用于自旋电子,让自旋电子反复翻转,“感受”到的外力上下翻转,消去电子自旋与环境中核自旋之间的耦合,保护电子自旋的量子相干性。
  经过多年努力,杜江峰研究小组在科技部、国家基金委、中国科学院、中国科学技术大学的大力支持下,于今年4月成功建立了目前国内唯一可以同时操控电子和核自旋的实验平台。在此基础上,他们第一次在真实固态体系中开展独立实验,实现了最优动力学解耦方案。研究人员用最多7个微波脉冲把一种叫丙二酸的材料里的电子自旋的相干时间从不足二千万分之一秒提高到了近三万分之一秒,这个时间已经能够满足一些量子计算任务的需要。他们的研究显示,即使在常温下,这样的方案也是可以工作的,这为用固态材料研制出能在室温下使用的量子计算机奠定了基础。
  研究人员认为,一旦实际固态体系的各种退相干机制被人们所完全了解,高精度的相干控制将更加容易,距离量子计算机的真正实现也不再遥远。
http://www.hfnl.ustc.edu.cn/2011/0721/2565.html
 近日,中国科学技术大学微尺度物质科学国家实验室杜江峰教授研究组在量子计算中抑制退相干,概率克隆以及量子模拟方向上取得新的进展。这三项工作获得了中国科学院、科技部重大科学研究计划和国家自然科学基金重点项目等的资助。
  动力学解耦方法通过频繁的翻转电子自旋可以有效的抑制量子体系与环境之间的耦合,是目前抑制退相干的主要方法之一。在此前的进展中,所有实验工作均集中在单比特情形,研究了动力学解耦方法保持单比特信息的能力(Du, J., et. al., Nature, 461, 1265(2009), G. de Lange, et al. Science 330, 60 (2010) )。但是对于未来大尺度的量子计算而言,更为重要的是保持多比特体系的量子相干。为了在实验上成功的对动力学解耦方法进行扩展,在前面工作的基础上,研究人员选择了硅基半导体材料作为实验体系,通过微波和射频技术来分别对电子自旋和核自旋进行操控,他们制备出了两比特量子纠缠态,并发现由于与环境的耦合,纠缠态会很快的被破坏,其寿命时间只有0.4微秒。但是经过动力学解耦序列后,其寿命时间从最初的0.4微秒提高到了30微秒,审稿人评价该工作是原创的,新颖的和有意义的(原文:“The work is original, new and interesting. In particular, the work describes to my knowledge the first application of a dynamic decoupling sequence to an entangled state in a solid state spin system and observes experimentally an increase of the decoherence time by about two orders of magnitude.”),该项成果发表在《美国物理评论快报》 [Phys. Rev. Lett. 106, 040501(2011)]上。

http://www.hfnl.ustc.edu.cn/2011/1213/2875.html
近日,合肥微尺度物质科学国家实验室杜江峰教授领导的研究小组和香港中文大学刘仁保教授合作,在金刚石N-V空位色心构成的单电子自旋体系中观测到了反常退相干现象。反常退相干现象的存在显示出电子自旋周围环境的量子特性以及可控制性。该实验结果在利用量子噪声进行量子信息处理方面迈出了重要的一步。
  由于环境会对量子系统发生耦合干扰,使得系统的相干性不可避免地流失。这一在量子信息处理极为重要的效应,被称为退相干。根据经典的噪声理论,环境给电子自旋带来的影响被视作经典的随机涨落。根据这一经典模型可以得出如下结论:噪声越强,系统的退相干越快。这一模型已经成功地解释了各种体系中的退相干过程。但是上述经典模型是基于以下假设:环境的尺度相比于中心自旋足够大,这样来自中心自旋对于环境的反作用是可以忽略的。然而随着当代量子科学的发展,相对于中心自旋体系,外界环境的尺度已经越来越小。在这种情况下,必须要采用基于量子力学的模型来处理退相干效应。刘仁保教授等人的理论计算预言,在周围含有大量核自旋的单电子自旋体系中,退相干现象不能用经典噪声理论解释。
  杜江峰教授研究组利用金刚石超纯样品中的N-V空位色心构成的三能级体系,研究其退相干现象。在这一体系中,中心电子自旋和周围的数百个碳十三核自旋相互耦合。而|1> 和|-1>叠加态(二阶相干项)和环境的耦合强度是两倍于|1> 和|0>叠加态(一阶相干项)与环境的耦合。在常温下,由于核自旋的随机朝向带来的热涨落会导致系统很强的退相干效应。此时这一退相干过程是经典的。为了看到非经典的退相干过程,研究人员利用动力学解耦技术消除经典噪声。随后观察到的现象令人惊奇:随着动力学解耦阶数的增加,二阶相干项的相干时间比一阶相干项增长得更快,最后二阶项的相干时间超过了一阶项。在未使用任何拟合参数的情况下,理论数值模拟得到数据和实验数据符合得非常好。
  实验观测到的反常量子退相干现象表明了电子自旋周围碳十三核自旋噪声的量子特性。由于核自旋噪声和中心自旋相互作用的存在,在利用动力学去耦技术翻转中心电子自旋时,核自旋也被相干地控制了。这一研究表明,微观尺度的外界环境所表现出来的量子特性,并非是一种无用的噪声,而是可以用来进行量子信息处理的有用资源。(相关工作发表在《自然—通讯》杂志上。)
杜跟潘是一个研究部的,量子物理与量子信息研究部

。潘是主任