单自旋

量子钻石单自旋谱仪是一台以NV色心自旋磁共振为原理的量子实验平台。该谱仪通过控制光、电、磁等基本物理量，实现对钻石中氮—空位（NV色心）发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，与传统顺磁共振、核磁共振相比，具有初态是量子纯态、自旋量子相干时间长、量子操控能力强大、量子塌缩测量实验结果直观等独特优势。带有负电的NV色心具有优良的量子特性。当施加532nm的绿色激光，电子从基态跃迁到激发态，从激发态衰减到基态的过程中，会发出红色荧光。ms=0态的荧光强度比较强，而ms=±1态发出的荧光比较弱，可以通过荧光强度区分自旋状态。量子钻石单自旋谱仪具有超高灵敏度与纳米级超高分辨率，能在室温大气条件下运行，可以完成单分子、单细胞的微观磁共振谱学和成像。该谱仪具备高保真度量子自旋态调控技术，通过自主研发的50ps时间精度脉冲发生器以及宽带高功率微波调制器件，能够实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控。与谱仪配套的高智能化控制与信号采集软件，能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验，是科研实验的好搭档。公司同时具有完善的高品质金刚石探针制备工艺，可以自主制备长相干时间、高稳定度的金刚石探针。产品参数：产品特点：实现单自旋灵敏度，纳米级分辨率的磁共振谱学方法；50皮秒时间精度，超高谱线分辨率，高保真度量子自旋态操控；智能化仪器控制和信号采集；完善的金刚石探针制备技术；可进行长时间无人值守实验。欢迎下载样本了解更多产品详情。 创新点：量子钻石单自旋谱仪是一台以NV色心自旋磁共振为原理的量子实验平台。该谱仪通过控制光、电、磁等基本物理量，实现对钻石中氮—空位（NV色心）发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，其具有超高灵敏度与纳米级超高分辨率，可以完成单分子、单细胞的微观磁共振谱学和成像，可在室温大气条件运行，对于生物样品具有良好的兼容性。与传统顺磁共振、核磁共振相比，具有初态是量子纯态，自旋量子相干时间长，量子操控能力强大，量子塌缩测量实验结果直观等独特优势。 带有负电的NV色心具有优良的量子特性。当施加532nm的绿色激光，电子从基态跃迁到激发态。从激发态衰减到基态的过程中，会发出红色荧光。ms=0态的荧光强度比较强，而ms=± 1态发出的荧光比较弱，可以通过荧光强度区分自旋状态。 钻石单自旋量子精密测量谱仪

p style=" text-align: justify " span style=" text-align: center " 　　单量子态的探测 /span span style=" text-align: center " 与 /span span style=" text-align: center " 调控 /span span style=" text-align: center " 及分子尺度的成像技术是精密谱学仪器发展的重要方向。随着对磁探测技术的深入探索，国仪量子公司生产研发的量子钻石单自旋谱仪，基于掺杂金刚石中的氮-空位体系的谱学技术，具有超高的磁探测本领，在物理、化学、生物、材料、医学等不同的学科具有广泛而重要的应用前景 /span sup style=" text-align: center " [1-11] /sup span style=" text-align: center " 。 /span /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 355px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/725600d0-5eee-420d-a2d4-fb3d0cc6a79e.jpg" title=" 微信图片_20191128151302.png" alt=" 微信图片_20191128151302.png" width=" 500" height=" 355" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图1 各种测磁技术的指标对比 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　自旋磁共振技术是目前为止发展最为成熟、应用最广泛的传统技术之一。磁探测相关谱仪具有悠久的发展历史，而实现磁共振探测也具有不同的方法，并且有各自的优缺点。图1直观的展示了霍尔传感器、SQUID探测器和自旋磁共振等几种通用技术手段在灵敏度和分辨率上的分布 sup [12] /sup ，相较传统的测磁技术，基于金刚石的磁共振方法在这两个核心指标上都有较大的提升，这为我们研发量子钻石单自旋谱仪提供了有力参考。 /p p style=" text-align: justify " 　　20世纪50年代，霍尔传感器已经在实验室磁场测量中普遍使用，这类探测器是基于霍尔效应对外界磁场直接测量 sup [13] /sup 。当磁场方向与回路中电流方向不同时，由于洛伦兹力的作用，导体内的电子发生偏转而产生电势差，通过电势差来直接测量磁场大小。磁场探头主要有由半导体晶体组成，能够被制成单片集成电路，抗震性好，易于使用，但是精度不够。 /p p style=" text-align: justify " 　　超导量子干涉仪(SQUID)是基于约瑟夫森结的磁通传感器 sup [14] /sup ，利用约瑟夫森结两端的电压随闭合环路中外界磁通量的变化，可以测量微弱的磁信号。20世纪60年代，Robert 等人研制成功了SQUID。此类测磁技术磁探测灵敏度较高，但是仪器需要在低温环境下工作，且价格昂贵。 /p p style=" text-align: justify " 　　基于钻石体系的微观磁探测是新兴的磁共振探测方法。该技术结合了光探测磁共振技术(ODMR)和金刚石中氮-空位(NV)色心的点缺陷，其工作原理是将NV色心制备成量子干涉仪，利用双共振技术实现高灵敏高空间分辨的磁信号探测。这种技术不需要低温及高真空极端化学条件下就可以正常工作，相比前面几种测磁技术，其具有更高的商业应用价值。 /p p style=" text-align: justify " 　　对磁场进行高分辨率、高灵敏度的测量在工程技术领域有着重要的价值。当前已有的探测手段已经不能满足微观磁共振对高分辨率、高灵敏度技术发展的需要，例如在微观尺度的成像方面，原子力显微镜(AFM)和扫描隧道显微镜(STM)等技术空间分辨率和探针尺寸相当，因此，要实现高空间分辨率，单原子是最佳的选择，而利用量子干涉仪，将弱磁信号转化成相位，可以实现高灵敏度的磁信号探测。 /p p style=" text-align: justify " 　　根据文献报道，NV色心单自旋体系空间分辨率可达5 nm以下 sup [15] /sup ，测磁灵敏度最高能达到 img src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/b52f8ecb-6013-43a0-8446-a5fe7839d92e.jpg" title=" 微信图片_20191128144820.png" alt=" 微信图片_20191128144820.png" width=" 66" height=" 24" border=" 0" vspace=" 0" style=" text-align: center max-width: 100% max-height: 100% width: 66px height: 24px " / sup style=" text-align: center " [16] /sup span style=" text-align: center " ，这使得NV色心体系成为高分辨磁探测的有力候选者。由于金刚石NV色心室温下相干时间可以长达ms量级，可以被定位至小于10 nm的精度，电子自旋对外界磁场非常灵敏，以及NV色心与样品之间距离可以小于5nm等优点，因此，NV色心可以做成一种非常强大的单量子传感器。 /span /p p style=" text-align: justify " 　　NV色心具有多电子态能级结构 sup [17] /sup ，处于激发态能级的NV色心有两个竞争的退激发路径：自发辐射跃迁回到基态及系间穿越弛豫到基态。而这两条反应路径的发生概率取决于NV色心基态的自旋状态，因此可以通过收集荧光信号读出自旋态m sub s /sub = 0的概率，并且通过光共振激发能够对NV色心进行初始化。更为重要的是，当电子自旋处在叠加态时，在外界磁场下的动力学演化会积累相对相位，如此便将收集的荧光信号和磁场大小关联起来。 /p p style=" text-align: justify " 　　2008年，Lukin研究组和Wrachtrup研究组几乎同时发现了NV色心具有优良的磁场感应能力，提出NV色心体系可用于高分辨率高灵敏度的磁测量 sup [18-19] /sup 。2012年，Wrachtrup 等人实验验证了单核自旋探测的原理性 sup [20] /sup 。2013年，文献报道了利用金刚石NV色心作为探针对有机样品质子探测，实现了5 nm的微观核磁共振 sup [21] /sup 。因此，金刚石NV色心单自旋体系在传感和探测的应用逐渐发展来，作为磁探测史上的新兴技术具有现实可行性，研制相关的谱学仪器迫在眉睫。 /p p style=" text-align: justify " img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 600px height: 396px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/55ebdb4f-651f-44ed-8124-c24c35fa1570.jpg" title=" 微信图片_20191128143746.png" alt=" 微信图片_20191128143746.png" width=" 600" height=" 396" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图2 商业化仪器现状 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　图2所示，市场上全球领先的技术公司，像布鲁克、西门子、飞利浦等研发生产的相关磁共振产品均基于传统磁共振技术，例如NMR(核磁共振)、EPR(电子顺磁共振)、MRI (核共振成像)等磁共振谱仪。然而，基于钻石NV单自旋体系为原理的磁共振谱仪，市场上还未有商业化仪器出现。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 400px height: 292px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/b08c92c0-2b61-46eb-a956-fa8a45c29f38.jpg" title=" 微信图片_20191128153605.png" alt=" 微信图片_20191128153605.png" width=" 400" height=" 292" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图3 量子钻石单自旋谱仪实物图 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　目前，国仪量子已掌握基于NV体系的核心技术，并具备成熟的制造工艺，成功研制了量子钻石单自旋谱仪，谱仪实物图外貌如图3所示。该谱仪通过控制光、电、磁等基本物理量，利用ODMR技术实现对钻石中氮—空位(NV色心)发光缺陷的自旋进行量子操控与读出，与传统顺磁共振、核磁共振相比，谱仪具有以下特点: /p p style=" text-align: justify " 　　1. 初态是量子纯态，易于初始化、操控和读出 NV色心的基电子自旋态可以通过光跃迁进行量子态的初始化和读出，利用微波进行量子态的操控。 /p p style=" text-align: justify " 　　2. 自旋量子相干时间长,长相干时间能够保证较长的相干操控及光信号积累。 /p p style=" text-align: justify " 　　3. 超高灵敏度与超高分辨率 由于NV色心的光学性质及其电子波函数特性，制备的单量子干涉仪测量磁场灵敏度可达10 sup -9 /sup T量级，NV色心系综甚至达到了10 sup -13 /sup T量级，其磁场测量空间分辨率可达到亚纳米。 /p p style=" text-align: justify " 　　4. 可以在室温大气条件下运行，对于生物样品有良好的兼容性。 /p p style=" text-align: justify " 　　5. 具备高保真度量子自旋态调控技术，通过自主研发的50 ps时间精度脉冲发生器以及宽带高功率微波调制器件，能够实现对自旋低噪声、高效、快速的量子相干操控。图4为装置拓扑图，谱仪配套了高智能化控制与信号采集软件，能够实现自动光路调节、自动磁场调节以及长时间的无人值守自动测样实验。 /p p style=" text-align: center" img style=" max-width: 100% max-height: 100% width: 500px height: 321px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/6186f9ed-0f30-44b0-94bc-2c7f5e4d919d.jpg" title=" 微信图片_20191128143903.png" alt=" 微信图片_20191128143903.png" width=" 500" height=" 321" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: center " strong 图4 仪器系统架构示意图 /strong /p p style=" text-align: justify " 　　国仪量子研发团队同时具有完善的高品质金刚石探针制备工艺，可以自主制备长相干时间、高稳定度的金刚石探针，能够达到比同类产品更高的技术指标。 /p p style=" text-align: justify " 　　基于以上NV固态体系的各种优势，此技术已在量子计算、磁探测、电探测及生物探测有较为成熟的应用。在量子计算领域，NV色心可以作为非常好的量子信息存储和调控的室温固体单自旋材料 sup [1-5] /sup 。例如利用NV色心体系，演示了D-J算法，大数分解算法等，为计算效率的提高带来极大帮助。在精密测量领域，基于金刚石氮-空位色心的精密测量技术，能够实现对电场、磁场、温度、应力等物理量的精密测量，并且赋能于科研、教育、能源、安全、健康、工业等各行各业。例如在生物医学领域，对活体细胞磁场 sup [6] /sup 、温度探测 sup [7] /sup ，以及对神经单元电位探测 sup [8] /sup 等 在材料科学领域，利用ODMR技术实现对不同材料光学性质和几何结构的研究 sup [9-11] /sup 。 /p p style=" text-align: justify " 　　金刚石NV色心为核心的量子钻石单自旋谱仪在磁探测领域崭露头角，满足未来磁共振成像对高分辨率高灵敏度的商业化需求。随着微纳加工技术的发展、谱仪性能的进一步提升，越来越多学科交叉领域的相关应用得到深入挖掘。相信不久的未来NV色心的量子精密测量技术将在国内外得到大范围的推广，前景令人期待。 /p p strong 　　参考文献： /strong /p p style=" margin-top: 5px margin-bottom: 5px text-align: justify " span style=" font-size: 12px " 　　[1] Rong, X., J. 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(2013). & quot Nanoscale Nuclear Magnetic Resonance with a Nitrogen-Vacancy Spin Sensor.& quot Science 339(6119): 557-560. /span /p p span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " strong 　　作者简介： /strong /span /p p style=" text-align:center" img style=" width: 100px height: 133px " src=" https://img1.17img.cn/17img/images/201911/uepic/1bc7d763-9bef-4484-b840-d649880705b1.jpg" title=" 梁昊.jpg" alt=" 梁昊.jpg" width=" 100" height=" 133" border=" 0" vspace=" 0" / /p p style=" text-align: justify " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　梁昊，安徽合肥人，博士毕业于中国科学技术大学。 br/ /span /p p style=" text-align: justify " span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 　　现于国仪量子(合肥)技术有限公司担任市场部应用工程师一职，负责量子钻石单自旋谱仪 /span span style=" font-family: 楷体, 楷体_GB2312, SimKai " 的应用及开发。 /span /p p br/ /p

p style=" text-indent: 2em " 近日，中国科学技术大学承担的国家重大仪器研制项目(部门推荐) “多波段脉冲单自旋磁共振谱仪研制”结题验收会在合肥召开。国家自然科学基金委员会(以下简称“基金委”)相关负责人、中科院条件保障与财务局相关负责人、项目验收专家组、项目监理组、技术验收组、财务验收组、档案验收组、中国科学技术大学相关负责人、项目组全体成员等50余人参加了验收会。验收会由基金委数理学部副主任董国轩主持。 /p p style=" text-indent: 2em " 项目验收专家组由14位专家组成，北京航空航天大学房建成院士和中科院微电子所刘明院士分别担任验收专家组组长和副组长。专家组首先听取了项目负责人、中国科学技术大学杜江峰院士关于“多波段脉冲单自旋磁共振谱仪研制”项目研制情况的报告。杜江峰院士带领项目组历时5年时间，实现了国际上首套多波段脉冲单自旋磁共振谱仪，包括多波段复合磁共振系统、微波与射频系统、光学共聚焦系统以及控制台系统等关键系统。该谱仪实现了单核自旋量子态的探测，能够直接测量原子尺度上单个物质单元的组成、结构及动力学性质，获取被系综统计平均掩盖的个体单元独特信息，在单量子水平上更本质理解物质的结构与性质，因此在物理、信息、生物等多学科前沿领域获得重要应用。项目执行期间，采取“边研制边科研”的思路，取得了一系列重要研究成果，譬如在室温大气条件下获得了世界上首张单蛋白质分子的磁共振谱，被《科学》杂志选为当期亮点并配以专文报道，被评价为“是通往活体细胞中单蛋白质分子实时成像的里程碑”。项目组发表SCI论文67篇，其中包括Science 2篇，Nature 1篇、Nature子刊8篇和PRL15篇。相关科研进展获得2015年中国分析测试协会科学技术奖特等奖和2015年度中国科学十大进展。通过该项目，中国科学技术大学形成了一支年轻有活力的磁共振科学仪器研制团队。 /p p style=" text-indent: 2em " 验收专家组还听取了监理组报告、技术测试验收报告、财务验收报告、档案验收报告，其中项目技术测试、财务验收、档案验收是5月10日由基金委组织专家先期完成的。随后，验收专家组和基金委相关领导一起现场考察了仪器设备运行情况。专家组对项目研制工作给予了高度评价，一致认为项目组全面完成了项目工作，取得了突出进展。 /p p style=" text-indent: 2em " 验收会由基金委副主任谢心澄院士带队，参加验收会的还有计划局项目处谢焕瑛处长、数理科学部物理科学一处倪培根副处长，中国科学院条件保障与财务局副局长曹凝，项目依托单位中国科学技术大学副校长朱长飞等。 /p

“就像船在大海中遇到10米巨浪，但舱内桌子上水杯中的水却稳到没有一丝肉眼可见的细纹。”谈到团队研制的电子自旋和自旋极化电流时空演化成像系统的稳定性，复旦大学物理系教授沈健这样类比。在国家自然科学基金国家重大科研仪器研制项目支持下，沈健团队挺进科研仪器研制“无人区”，将飞秒超快自旋显微技术、音叉式自旋结构显微技术、自旋极化电流显微技术相结合，研制出技术指标明显领先国际同类商用仪器的成像系统。目前，该项目已获国内、国际专利授权9项，在《科学》《自然》等期刊发表论文8篇，培养出大批优秀人才。项目组科研人员与第三方技术验收专家交流合影科学界的共同难题电子自旋是凝聚态和材料物理学中许多奇妙现象的根源。从凝聚态物理角度来说，几乎所有的重大现象，比如高温超导、庞磁阻、多铁效应、量子霍尔效应等都和电子自旋有关。“要理解这些重大现象，必须表征电子自旋结构和自旋动力学。”沈健对《中国科学报》说，“通俗点讲，就是要看清电子自旋如何在空间排列，并弄清其运动轨迹、运动状态，才能真正理解这些现象的本质。”理解电子自旋与量子材料物性的关联，并在自旋器件中做到高效自旋输运，是目前自旋相关研究的关键。而解决这个关键科学问题的最大技术瓶颈就是如何表征电子自旋及其动力学过程。沈健解释说，由于电子自旋之间的相互作用在空间上具有多尺度特征，在时间上具有超快响应频率，其本身又有静态（自旋结构）和动态（自旋动力学）的区别，尤其是在自旋器件中，自旋随电荷处于流动状态。“人们‘看清’电子自旋的难度，就像在太空中观察地球时，能够清楚地看见上面的一个足球。”沈健补充说，“而且，我们不仅要看见这个足球，还要弄清它在比赛中是怎么被传递的，甚至还要以十万亿分之一秒的时间精度，看清它的运动轨迹。因此，同时在单原子的空间尺度和飞秒的时间尺度看清电子自旋是目前国际科学界面临的重大挑战。”“到目前为止，科学家要么只能在单原子尺度看见静态的电子自旋，要么只能牺牲空间分辨率，在百纳米尺度研究电子自旋的超快动力学过程。”该团队成员之一、复旦大学教授吴施伟说，“我们就是要做一个显微镜或成像系统，它既能看见单独的电子自旋，又能在飞秒尺度上看清电子的自旋轨迹。”五级减震挑战2015年，该团队承担的科研仪器研制项目执行初期，一条来自上海市政方面的“大消息”让项目组忧心忡忡：上海市规划的地铁10号线延长线紧邻学校。地铁最近的地方，离该团队的地下实验室不足百米。此前，国内高校就曾传出学校附近的地铁震动影响科学实验的消息。而在原子尺度上看电子自旋，对背景噪声水平要求极高，任何外界极细微的扰动，都会影响该系统的成像效果。当时，能不能在这里建实验室、采取什么样的避震措施成为项目组讨论的焦点。经过多轮研讨，该团队制定出一套减震方案，虽然理论推算上能自洽，但实际上是否可行，大家意见并不一致。“上海处在一个冲积平原上，土质很软。”该团队成员之一、复旦大学教授殷立峰说，“地铁经过时的震动，对仪器影响会非常大。”最后，该团队和上海市政方面协调，找来几辆满载的重型土方车，沿着地铁线路行驶，尽可能模拟地铁运行所造成的恶劣环境，从而获得震动的一手数据。“当百米开外的满载土方车开过时，我们在实验室中测到了强烈的2.5赫兹震动，震动强度比平常高了一个数量级，所以地铁的影响非常明显，大概与我们无液氦制冷机所产生的震动相当。”吴施伟说。经过多次努力和尝试，该团队制定了一套特殊的“五级减震”方案。按照该方案，他们将仪器安放在实验室墙角一个特定位置，然后安装上能探测震动大小，并据此主动调节气压的“气浮”平台，再给扫描隧道显微镜镜头安装两级波纹管隔离制冷震动，最后通过扫描头的弹簧和探针不同的频率特性，阻断剩余的高、低频两种震动。经多轮评估，专家组认为这种“五级减震”方案在理论上可行，有机会使震动减少7个数量级，即达到“船在惊涛骇浪里剧烈颠簸，杯中水面纹丝不动”的效果。2021年6月，该项目进行正式验收时，上海的地铁10号线延长线已经投入运营半年多了。在这样的测试环境下，该系统测试的所有16项指标均达到或优于项目计划。“现在我们的减震效果完全达到最好的液氦制冷商业仪器的同一水准。”吴施伟补充说，“地铁经过或开关制冷压缩机完全看不出任何差别。”蹚出两条路“这套系统有两大亮点：一是减震系统；二是在减震条件下的无液氦制冷技术。”沈健介绍说，“除对稳定性要求极高外，该系统对温度条件要求也十分苛刻。”极低温制冷技术通常有两种：一是利用压缩机制冷；二是使用液氦制冷。国际上多采用液氦来制造极低温条件，但我国是贫氦国家，液氦供应受制于人。“液氦特别昂贵，大量使用液氦来做实验，成本也几乎到了难以承受的地步。”沈健说，“所以，无液氦制冷就成为一个新的技术发展方向。”但制冷压缩机本身就是巨大的震动源，用在对震动极其敏感的仪器上，影响自不必言。项目进行中，该团队再次陷入技术路线的巨大争议。经过反复的讨论与争论后，该团队决定采用两条技术路线，即尝试大幅减震条件下的无液氦制冷技术。“我们团队有个特点，每两周有全组（包括学生）的大讨论，讨论技术路线、审视各种方案。”该团队成员之一、复旦大学教授高春雷说，“之所以采取两条路线，实际上是因为当时谁也说服不了谁，干脆各选一条路向一起汇合。”该团队成员之一、博士后孙泽元说：“我们团队配备有数名设计、加工、焊接方面的专业技术人员，所以一些新的想法很快就能进行测试，这大大加快了研发进度。”就这样，该团队首次实现了2K（K氏温度）低温无液氦制冷，同时在低噪环境下成像的重大突破（最低1.2 K，远低于国际上无液氦制冷同类商业仪器9 K的技术指标）。目前，该系统在精度、时间分辨率和低温条件等方面均领先国际水平。“和液氦技术相比，我们这个系统的优势之一是可以长时间运行（液氦技术需要定期停机补充液氦）。”殷立峰说，“另一个优势是可以在1.2K到300K之间任意改变温度（液氦制冷仪器一般只能实现某几个固定温度）。”目前，国际上还没有类似指标的成像系统，这让沈健等人“有点踏入无人区的感觉”。同时，他们又非常幸运，该团队两条技术路线最后都“走通了”，这也为今后无液氦低噪制冷技术提供了更多选择。“说心里话，我们非常感谢国家自然科学基金对科研仪器研制项目非常大的支持力度，所以我们能做一些真正开创性的仪器研发，走进‘无人区’，挑战一些难度更大的事情。”沈健说，“对我们来说，它真正帮助我们在仪器研制上取得了长足的进步，同时，一批年轻科研人员也在这个项目中成长了起来。”《中国科学报》：您认为科研仪器在科研中起着怎样的作用？沈健：物理学是一门以实验为基础的科学，现代物理研究几乎离不开科研仪器。成像系统就像人的眼睛，在对物性的研究中，只有看得更清、研究得更细，对其中的物理才能理解得更加深刻，才能发现一些新现象。本项目在自主研发中产生的一些新范式，也会带来基础研究的突破。基于研发过程中产生的无液氦低温隔振平台和原位自旋极化扫描隧道显微技术，我们厘清了二维磁性材料中层间堆叠结构和磁性耦合的关系，为二维磁体在非线性光学器件、自旋电子学器件上的应用打开了新维度，为面向实际科学问题和科学应用研究奠定了扎实的基础。《中国科学报》：当前我国在该领域的科研仪器研制处于怎样的国际地位，面临怎样的挑战？沈健：单从技术指标上看，目前我们的仪器明显领先于国际上同类商用仪器，但并未真正商业化，还处于实验阶段。我们自己用起来得心应手的仪器，别人用其做同样的实验可能就不行，因为这里面有太多的细节，所以我们还有很多工作要做。《中国科学报》：下一步团队有哪些研究重点？沈健：下一步，我们将推进该成像系统商业化进程，把它做成别人拿来就很容易使用的仪器。但这样一个尖端仪器，不是简单靠某几个人或哪个团队就能实现商业化的，会面临很大挑战。但是，国家花了很多钱，我们不能满足于研制一个只是自己课题组能用的仪器。一方面，我们要让仪器更加成熟、稳定，能让同行拿来真正解决一些重大科学问题；另一方面，我们自己也有很多科学问题，需要借助尖端仪器来解决，这也是我们团队的努力方向之一。

p 　　近日，中国科学院国家纳米科学中心研究员孙向南和西班牙巴斯克纳米科学中心教授Hueso等合作，在分子自旋电子学研究方面取得重要进展，提出并报道了全新的分子自旋光伏器件。相关研究成果于8月18日在《科学》(Science)杂志在线发表，并已申请国家发明专利(申请号:201611011759.5)。 br/ /p p 　　分子半导体材料由于具有丰富的光电性质，被广泛应用于分子电子器件的研究中，如光伏电池、发光二极管和场效应晶体管等。此外，由于分子材料较弱的自旋轨道耦合作用，其自旋弛豫时间可以达到毫秒级，使之成为极具吸引力的自旋输运材料。将分子半导体材料丰富的光电性质与优异的自旋输运性质有效结合，是探索构建全新功能性分子自旋电子器件，并实现分子自旋电子学研究领域突破的新途径。 /p p 　　分子自旋光伏器件(MSP)是基于自旋阀器件结构和富勒烯(C60)分子材料构建的一种新型器件。该器件可在外部光、磁复合场作用下实现电子自旋和电荷输出信号的相互耦合，进而实现全新的器件功能，包括：磁场调控太阳能电池开路电压，室温下利用特定操控模式实现可控完全自旋极化电流输出、磁控交流电信号输出、磁控电池开关等。 /p p 　　MSP器件在自旋阀工作模式下，一个铁磁电极(Co)用于向C60半导体层中注入自旋极化载流子，另外一个铁磁电极(NiFe)用于自旋检出，自旋极化的载流子通过C60薄膜实现输运。在恒定偏压下，该器件输出电流随两个铁磁电极的相对磁化方向变化(即自旋阀效应)，受该效应影响的输出电流百分比称为磁电流(MC)。另外，MSP器件在7.5Mw/cm2白光照射下可观察到微弱的光伏效应。在短路的条件下，C60层中的光生载流子受内建电场的驱动扩散到两个铁磁电极产生输出电流，这些载流子因为通过磁性电极输出后在极短的时间内完全自旋弛豫，因此并不会产生自旋阀效应。该器件在开路时，外加电压将驱动电子从Co电极输运到NiFe电极实现电荷复合，因为C60优异的自旋输运性质，此时复合电流将会受自旋阀效应的影响。如上所述，MSP器件在光、磁复合场作用下，输出电流与复合电流相异的自旋相关性是实现全新自旋器件功能性的关键。 /p p 　　该研究提出的分子自旋光伏器件作为一种新型器件，在高灵敏度光、磁复合场传感器、单器件磁控电流转换器等方面具有潜在的应用价值，并且相较于传统的分子自旋阀，该器件获得相同磁电流响应信号的运行功率降低至1%以下。同时，该器件还可以应用于分子半导体材料自旋输运和自旋光电子学等研究领域的探索中。 /p p 　　孙向南为文章第一作者，Hueso为通讯作者，国家纳米科学中心为第一完成单位。该工作得到了中科院“率先行动”百人计划、国家自然科学基金委面上项目和科技部重点研发计划的资助。(来源：中国科学院国家纳米科学中心) /p p 　　 a href=" http://science.sciencemag.org/content/357/6352/677" target=" _self" title=" " 论文链接 /a /p p style=" text-align: center " img src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/noimg/1aa584a7-5115-423c-9fd4-a5ada8709ab2.jpg" title=" 1.png" width=" 532" height=" 253" style=" width: 532px height: 253px " / /p p style=" text-align: center " 分子自旋光伏器件示意图 /p p br/ /p

杜江峰院士团队利用金刚石中氮-空位色心作为固态自旋量子传感器，在微观尺度对于一系列新奇自旋相互作用展开实验搜寻并给出新的实验限定。相关研究成果分别发表在《国家科学评论》[National Science Review 10, nwac262 (2023)]、《物理评论快报》[Phys. Rev. Lett. 131, 071801 (2023)]和《美国国家科学院院刊》[Proc. Natl. Acad. Sci. 120, e2302145120 (2023)]。探索超越标准模型的新物理现象能够有助于解答一些不能用标准模型解释的基本问题，例如强CP疑难以及暗物质与暗能量的物理本质。近年来对一些新玻色子诱导的新奇自旋相互作用进行实验搜寻成为研究重点。2018年杜江峰团队在国际上原创提出将金刚石氮-空位(NV)色心的单电子自旋构筑为量子传感器，可用于搜寻电子与核之间的新奇自旋相互作用，并成功将实验搜寻的力程拓展到亚微米尺度[Nature Communications 9, 739 (2018)]。随后对一系列自旋相互作用在微观尺度实现了高精度的实验搜寻[Physical Review Letters 121, 80402 (2018),Physical Review Letters 127, 010501 (2021)]。为了进一步提升搜寻能力，团队向两个方向推进：1、发展更高灵敏度的传感器，用于实现更高精度的实验检验；2、发展新形态的传感器，打开更短力程的探测窗口。为了实现更高灵敏度的传感器，团队实现高品质金刚石NV系综电子自旋生长工艺，将单自旋探测器升级为系综自旋传感器，使得更多NV色心能够被同时用于测量，极大提升了探测精度，从而实现对一系列新奇自旋相互作用的实验搜寻[National Science Review 10, nwac262 (2023),Phys. Rev. Lett. 131, 071801 (2023)]。另一方面，团队充分利用单NV色心作为原子尺度传感器的优势，结合微机电技术和硅基纳米工艺，实现可扩展的自旋-力学量子芯片。实验表明该芯片在力程小于100 纳米处将观测约束提升2个数量级[PNAS120,e2302145120 (2023)]。这些成果展示了利用金刚石NV色心自旋量子传感器来研究各种超出标准模型的新物理有独特优势，有望激发宇宙学、天体物理和高能物理等多个基础科学的广泛兴趣。论文信息（†为共同一作，*为共同通讯作者）：1.Hang Liang†, Man Jiao†, Yue Huang†, Pei Yu, Xiangyu Ye,Ya Wang, Yijin Xie, Yi-Fu Cai, Xing Rong*,and Jiangfeng Du*,National Science Review 10, nwac262 (2023).https://doi.org/10.1093/nsr/nwac2622.Diguang Wu†, Hang Liang†, Man Jiao*, Yi-Fu Cai, Chang-Kui Duan, Ya Wang, Xing Rong*, and Jiangfeng Du*,Phys. Rev. Lett. 131, 071801(2023).https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.131.0718013.Longhao Wu†, Shaochun Lin†, Xi Kong, Mengqi Wang, Jingwei Zhou, Chang-Kui Duan, Pu Huang, Liang Zhang*and Jiangfeng Du*, Proc. Natl. Acad. Sci. 120,e2302145120 (2023)https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2302145120

磁性材料中，拓扑自旋结构具有比传统材料稳定耐久的优势，在信息处理储存领域应用潜力巨大，但因其尺度小、依赖低温和磁场环境等特点，一直在应用方面难以突破。近日，厦门大学半导体研究团队康俊勇教授、张荣教授、吴雅苹教授通过物理学、材料学、电子学的交叉研究在该领域取得重大进展，提出利用强磁场调控原子轨道的新思想，成功将拓扑自旋结构用于半导体器件，研制出拓扑自旋固态光源芯片，实现了拓扑自旋结构从理论到器件的关键突破。相关成果以吴雪峰、李煦、康闻宇为共同第一作者于7月13日发表在《自然电子学》期刊上。拓扑自旋固态光源芯片示意图。课题组研究人员介绍，为了发挥拓扑自旋结构的优势作用，并实现在半导体器件领域的应用，团队通过理论模拟，大胆预测拓扑自旋结构可能反向操纵电子和光子。在这一思想火花的指引下，团队自主设计搭建设备，通过优化材料体系，在宽禁带半导体衬底上成功生长出大尺度、长程有序且在室温及无外磁场环境下高度稳定的拓扑半子晶格，为自主研发拓扑自旋固态光源芯片打下坚实基础。(a)磁力显微镜下的大面积meron晶格(b)电子在meron结构中运动轨迹示意图(c)T-LED结构设计及其粒子手性传递机理示意图。随着研究的深入，团队进一步证实此前预测，即当电子注入半子晶格时，其输运轨迹可受到有效调控，进而产生自旋极化。在此基础上，团队进一步将自旋极化电流注入半导体量子阱中，完成了从拓扑保护的准粒子到电子再到光子的手性传递，实现了高效的自旋光发射，成功研制出拓扑自旋固态光源芯片。该新型拓扑自旋固态光源芯片有望满足未来量子科技等发展需求。

p 　　近日，中国科学院国家纳米科学中心研究员孙向南和西班牙巴斯克纳米科学中心教授Hueso等合作，在分子自旋电子学研究方面取得重要进展，提出并报道了全新的分子自旋光伏器件。相关研究成果于8月18日在《科学》(Science)杂志在线发表，并已申请国家发明专利(申请号:201611011759.5)。 /p p 　　分子半导体材料由于具有丰富的光电性质，被广泛应用于分子电子器件的研究中，如光伏电池、发光二极管和场效应晶体管等。此外，由于分子材料较弱的自旋轨道耦合作用，其自旋弛豫时间可以达到毫秒级，使之成为极具吸引力的自旋输运材料。将分子半导体材料丰富的光电性质与优异的自旋输运性质有效结合，是探索构建全新功能性分子自旋电子器件，并实现分子自旋电子学研究领域突破的新途径。 /p p 　　分子自旋光伏器件(MSP)是基于自旋阀器件结构和富勒烯(C sub 60 /sub )分子材料构建的一种新型器件。该器件可在外部光、磁复合场作用下实现电子自旋和电荷输出信号的相互耦合，进而实现全新的器件功能，包括：磁场调控太阳能电池开路电压，室温下利用特定操控模式实现可控完全自旋极化电流输出、磁控交流电信号输出、磁控电池开关等。 /p p 　　MSP器件在自旋阀工作模式下，一个铁磁电极(Co)用于向C sub 60 /sub 半导体层中注入自旋极化载流子，另外一个铁磁电极(NiFe)用于自旋检出，自旋极化的载流子通过C sub 60 /sub 薄膜实现输运。在恒定偏压下，该器件输出电流随两个铁磁电极的相对磁化方向变化(即自旋阀效应)，受该效应影响的输出电流百分比称为磁电流(MC)。另外，MSP器件在7.5Mw/cm2白光照射下可观察到微弱的光伏效应。在短路的条件下，C sub 60 /sub 层中的光生载流子受内建电场的驱动扩散到两个铁磁电极产生输出电流，这些载流子因为通过磁性电极输出后在极短的时间内完全自旋弛豫，因此并不会产生自旋阀效应。该器件在开路时，外加电压将驱动电子从Co电极输运到NiFe电极实现电荷复合，因为C sub 60 /sub 优异的自旋输运性质，此时复合电流将会受自旋阀效应的影响。如上所述，MSP器件在光、磁复合场作用下，输出电流与复合电流相异的自旋相关性是实现全新自旋器件功能性的关键。 /p p 　　该研究提出的分子自旋光伏器件作为一种新型器件，在高灵敏度光、磁复合场传感器、单器件磁控电流转换器等方面具有潜在的应用价值，并且相较于传统的分子自旋阀，该器件获得相同磁电流响应信号的运行功率降低至1%以下。同时，该器件还可以应用于分子半导体材料自旋输运和自旋光电子学等研究领域的探索中。 /p p 　　孙向南为文章第一作者，Hueso为通讯作者，国家纳米科学中心为第一完成单位。该工作得到了中科院“率先行动”百人计划、国家自然科学基金委面上项目和科技部重点研发计划的资助。 /p p style=" text-align: center " img title=" W020170818634585794445.png" src=" http://img1.17img.cn/17img/images/201708/insimg/5d19d7fb-2aaa-4c75-80fe-e46866ef0a9f.jpg" / /p p style=" text-align: center " strong 分子自旋光伏器件示意图 /strong /p p br/ /p

近日，大连化物所光电材料动力学研究组(1121组)吴凯丰研究员团队在量子点自旋光物理研究中取得重要进展，率先实现了室温下对低成本溶液法制备的胶体量子点的自旋相干操控。这一成果在量子信息科学、超快光学相干操控等领域具有重要意义。 　　量子信息技术是指以微观粒子(或准粒子)的量子态表示信息，并利用量子力学原理进行信息存储、传输和处理的技术。对固态材料中的自旋量子比特进行相干操控，是实现量子信息技术的重要途径之一。目前已报道的相关固态体系主要包括外延生长量子点以及“点缺陷”材料(如金刚石色心等)。然而，外延生长量子点的制备工艺复杂、造价昂贵，且其自旋操控一般需要在液氦温度下进行。虽然“点缺陷”自旋的室温相干操控已被实现，但如何规模化、可控地制备这类材料是巨大挑战。因此，若能在室温下实现低成本材料的自旋相干操控，对量子信息技术的发展将产生深远影响。吴凯丰研究团队一直致力于胶体量子点的超快光物理与光化学研究。这类量子点不但可用相对温和的化学法在溶液中宏量制备，而且其限域效应强，光电、自旋等性质精准可调。尤其是近年来兴起的铅卤钙钛矿量子点，其旋轨耦合效应特别有利于通过光学方法高效注入自旋极化，同时其强烈的光-物质相互作用可促进自旋的光学相干操控。研究团队近期也在CsPbI3钙钛矿量子点中观测到激子自旋的系综量子拍频并解析了其物理机制(Nat. Mater. 2022)。 　　在本工作中，考虑到量子点中的电子-空穴交换作用导致了复杂的激子裂分及光学取向行为，研究团队创新性地制备了钙钛矿量子点的单空穴自旋极化态，并基于自行研制的多脉冲飞秒磁光技术实现了室温相干操控。团队通过在CsPbBr3量子点表面化学修饰蒽醌分子，在亚皮秒尺度捕获量子点的光生电子，猝灭电子-空穴交换作用，在室温下得到百皮秒量级的空穴自旋，在外加磁场下，该空穴自旋发生拉莫尔进动；借助一束亚带隙光子能量的飞秒脉冲，利用光学斯塔克效应产生赝磁场，成功实现了对空穴自旋的量子态相干操控。考虑到自旋相干寿命在百皮秒量级，借助百飞秒(约为0.1皮秒)级的激光脉冲，研究人员在自旋退相干之前原则上可开展上千次的有效操控。 　　相关文章以“ Room-temperature coherent optical manipulation of hole spins in solution-grown perovskite quantum dots ”为题，于近日发表在《自然-纳米技术》(Nature Nanotechnology)杂志上。该工作的共同第一作者是大连化物所1121组博士生蔺煦阳、韩瑶瑶博士。上述工作获得了中科院稳定支持基础研究领域青年团队计划、国家重点研发计划、国家自然科学基金及大连化物所创新基金的支持。

近日，复旦大学物理系周磊\孙树林课题组利用由高深宽比（20:1）的硅基人工原子构建的超构表面，在太赫兹波段实现了绝对效率高达88%的透射式自旋解耦双功能器件，例如在不同手性太赫兹光照射下实现聚焦\偏折或双全息成像等等不同功能。相关研究成果以“Bifunctional Manipulation of Terahertz Waves with High-Efficiency Transmissive Dielectric Metasurfaces”为题，于2022年12月在线发表在Advanced Science上。太赫兹（Terahertz，THz）波因其在信息通讯、生物医疗和国防安全等领域具有重大应用需求而备受相关科研人员的关注。然而，传统太赫兹器件由于自然材料在该波段的电磁响应很弱，而普遍存在体积庞大、效率低和功能单一等问题。近年来，具有强大电磁波调控能力和超薄结构特性的超构表面的出现为光学器件的小型化和功能多样化方面带来了新的契机。太赫兹超构表面器件研究在成为太赫兹领域研究热点的同时，也面临着诸多困难与挑战：金属欧姆损耗极大限制超构器件的绝对工作效率，现有全介质超构表面器件存在功能相对单一和效率低等问题。针对这些问题，研究团队提出了利用具有高深比的全介质柱人工原子（例如：纯硅）构建透射式太赫兹高效自旋解耦超构表面功能器件的新思路，并实验验证了不同圆偏振太赫兹光激励下的多功能光场调控（见图1）。图1.高效双功能全介质超构表面的示意图复旦大学周磊教授团队在太赫兹波段基于高深宽比（20：1）全介质人工原子构建了多功能超构器件，实验实现了对左右旋圆偏振入射光的高效（绝对效率88%）且完全不同的波前调控（即自旋解耦）。光学器件的效率和多功能操控一直以来都是一个瓶颈问题，对于透射式器件尤为明显。究其本质是构建超构表面的人工原子既要满足全相位覆盖要求，还要具备高的透射效率。团队发现具有高深宽比的全介质人工原子可同时满足上述条件，同时利用散射相消原理在器件反面引入减反结构可进一步提升器件的绝对效率。团队通过将套刻技术与深硅刻蚀Bosch Process工艺相结合，调节刻蚀（etch）和钝化（passivation）工艺平衡，成功制备出了具有100%偏振转化效率的高深宽比双面介质人工原子（如图2所示）。 图2. 器件加工中的Bosch平衡，器件SEM图以及太赫兹光谱图基于上述高效透射型全介质人工原子，团队充分利用与自旋无关的传输相位和与自旋相关的几何相位这两个独立调控自由度，设计和实现了手性完全解锁的高效双功能波前调控器件。图3 展示了高效双功能波前调控器件所对应的透射相位分布及其对应的人工原子的几何参数和旋转角度分布。团队的太赫兹实验远场实验完美验证了该超构器件对左右旋圆偏振光实现的聚焦和偏折效应，其绝对工作效率高达88%。为了进一步验证该设计方法的普适性，团队进一步设计并实验表征了功能更加复杂的高效全息成像双功能器件。在图4中展示了该太赫兹双功能全息超构器件的实验和模拟结果：该器件在不同圆偏振太赫兹光的激励下，可在器件透射端焦平面的左右两侧呈现不同的全息图像（字母“F”和“D”）。 图3.双功能器件的相位分布与SEM图以及实验测试架构和结果 图4. 全息成像器件SEM图、相位分布图以及近场扫描的实验结果与模拟结果周磊教授团队在此项工作中系统地阐述了利用全介质超构表面实现太赫兹高效自旋解耦多功能波前调控的设计方法，并基于成功制备的高深宽比高达20：1的全硅基超构表面样品，实验验证了具有自旋解锁的聚焦/偏折双功能器件和双功能全息超构器件。此项工作可为实现高效、小型化且多功能的透射式太赫兹器件研究提供新思路和新方法，并为未来的片上光子学研究发展提供更多的可能。复旦大学物理学系博士后王卓与博士研究生姚尧为论文的共同第一作者。复旦大学物理学系周磊教授和复旦大学光科学与工程系孙树林研究员为该论文共同通讯作者。该工作还得到上海大学通信学院肖诗逸教授和复旦大学物理学系何琼教授的大力支持与帮助。该研究工作获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金和上海市科委的项目的支持。

科技日报北京8月15日电 据15日发表在《自然材料》上的论文，美国普渡大学的研究人员通过使用光子和电子自旋量子位来控制二维（2D）材料中的核自旋，实现了在2D材料中写入和读取带有核自旋的量子信息。他们用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，首次在超薄六方氮化硼中实现了对核自旋量子位的实验控制。该研究工作拓展了量子科学和技术的前沿，使原子尺度的核磁共振光谱等应用成为可能。研究人员表示，这是第一个展示2D材料中核自旋的光学初始化和相干控制的工作。自旋量子位可以被用作传感器，例如探测蛋白质结构，或者以纳米级分辨率探测目标的温度。捕获在3D金刚石晶体缺陷中的电子能产生10—100纳米范围的成像和传感分辨率，而嵌入在单层或2D材料中的量子位可更接近目标样本，提供更高的分辨率和更强的信号。为实现这一目标，2019年，六方氮化硼中的第一个电子自旋量子位诞生。此次，研究团队在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之间的界面。核自旋可以通过周围的电子自旋量子位进行光学初始化——设置为已知的自旋。一旦被初始化，就可以用无线电频率来改变核自旋量子位，本质上是“写入”信息，或者测量核自旋量子位的变化，即“读取”信息。他们的方法一次利用3个氮原子核，其相干时间是室温下的电子量子位的30多倍。2D材料可以直接层叠在另一种材料上，从而形成一个内置的传感器。研究人员表示，2D核自旋晶格适用于大规模的量子模拟。它可在较高的温度下工作。为控制核自旋量子位，研究人员首先从晶格中移除一个硼原子，并用一个电子取代它。电子位于3个氮原子的中心。每个氮核都处于随机自旋态，可以是-1、0或+1。研究人员用激光将电子泵浦到自旋态为0，这对氮核的自旋影响可忽略不计。最后，受激电子与周围的3个氮核之间的超精细相互作用迫使原子核的自旋发生变化。当循环重复多次时，原子核的自旋达到+1状态，无论重复相互作用如何，它都保持不变。当所有3个原子核都设置为+1状态时，它们就可用作3个量子位。研究人员使用光和电子自旋量子位来控制二维材料中的核自旋。图片来源：Second Bay工作室/美国科学促进会网站

中国科大郭光灿院士团队在碳化硅色心自旋操控研究中取得重要进展。该团队李传锋、许金时等人与匈牙利魏格纳物理研究中心Adam Gali教授合作，在国际上首次实现了单个碳化硅双空位色心电子自旋在室温环境下的高对比度读出和相干操控。这是继金刚石氮空位（NV）色心后第二种在室温下同时具有高自旋读出对比度和高单光子发光亮度的固态色心，该成果对发展基于碳化硅这种成熟半导体材料的量子信息技术具有重要意义。该成果于2021年7月5日在线发表于《国家科学评论》（National Science Review）杂志上。固态自旋色心是量子信息处理的重要研究平台，金刚石NV色心是其突出的代表。自从1997年德国研究团队报道了室温下单个金刚石NV色心的探测以来，金刚石NV色心在量子计算、量子网络和量子传感等方面都取得了重要进展。近年来，为了利用更加成熟的材料加工技术和器件集成工艺，人们开始关注其他半导体材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心（缺失一个硅原子）和双空位色心（缺失一个硅原子和一个近邻碳原子），因其优异的光学和自旋性质引起了人们广泛的兴趣。其中室温下单个硅空位色心的相干操控虽然已经实现，但其自旋读出对比度只有2%，而且天然块状碳化硅材料中单个硅空位色心的单光子发光亮度每秒仅有10 k个计数，如此低的自旋读出对比度和单光子发光亮度极大的限制了其在室温下的实际应用。而室温下单个双空位色心的相干操控还未见报道。李传锋、许金时研究组利用之前所发展的离子注入制备碳化硅缺陷色心的技术[ACS Photonics 6, 1736-1743 (2019) PRL 124, 223601(2020)]制备了双空位色心阵列。进一步利用光探测磁共振技术在室温下实现单个双空位色心的自旋相干操控，并发现其中一类双空位色心（称为PL6）的自旋读出对比度为30%，而且单光子发光亮度每秒可达150k个计数。这两项重要指标相比碳化硅中硅空位色心均提升了一个数量级，第一次展现了碳化硅自旋色心在室温下具有与金刚石NV色心相媲美的优良性质，并且单色心电子自旋在室温下的相干时间长达23微秒。研究团队还实现了碳化硅色心中单个电子自旋与近邻核自旋的耦合与探测，为下一步构建基于碳化硅自旋色心体系的室温固态量子存储与可扩展的固态量子网络奠定基础。实验结果图：室温下单个PL6色心的光学与自旋性质。（A）单色心阵列荧光成像图，橙色圈内为单个PL6色心；（B）单光子发光特性；（C）荧光饱和行为；（D）光探测磁共振（ODMR）谱；（E）Rabi振荡；（F）自旋相干时间。由于高读出对比度和高单光子发光亮度在量子信息的许多应用中至关重要，该成果为基于碳化硅的量子器件开辟了一个新的发展方向。审稿人高度评价该工作：“该论文的发现解决了碳化硅色心量子技术应用中的一个关键问题，该发现将会立即促进许多工作的发展（The discovery reported in this paper addresses a key issue in the quantum technology applications of color centers inSiC. The discovery will stimulate many works immediately）”；“其中一些结果，例如对一些色心30%的读出对比度是相当了不起的（Some of these results such as the 30% readout contrast from some of the centers are quite remarkable）”。中科院量子信息重点实验室博士后李强、王俊峰副研究员为论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省和中国科学技术大学的资助。李强得到博士后创新人才支持计划的资助。论文链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwab122

成果简报基于量子特性，电子自旋传感器具有高灵敏度，可以广泛应用于探测各种物理化学性质，如电场、磁场、分子或蛋白质动力学以及核或其他粒子等。这些独特的优势和潜在应用场景，使基于自旋的传感器成为当前热点的研究方向。Sc3C2@C80具有由碳笼保护的高度稳定的电子自旋，适用于多孔材料内的气体吸附检测。Py-COF是一种最近出现的具有独特吸附性能的多孔有机框架材料，它使用具有甲酰基和氨基的自缩合构建块制备，其理论孔径为1.38 nm。因此，一种金属富勒烯Sc3C2@C80单元（尺寸约0.8 nm）可以进入Py-COF的一个纳米孔。中国科学院化学研究所王太山研究员开发了一种基于金属富勒烯的纳米自旋传感器，用于探测多孔有机框架内的气体吸附情况。将顺磁性金属富勒烯，Sc3C2@C80嵌入基于芘基的共价有机框架(Py-COF)的纳米孔中。使用EPR技术(国仪量子EPR200-Plus)记录嵌入Sc3C2@C80自旋探针的Py-COF内吸附的N2、CO、CH4、CO2、C3H6和C3H8。研究表明，嵌入Sc3C2@C80的EPR信号有规律地随Py-COF的气体吸附性能有关。研究结果以“Embedded nano spin sensor for in situ probing of gas adsorption inside porous organic frameworks”为题，发表在Nature Communications上。利用 Sc3C2@C80 的分子自旋探测 Py-COF 的气体吸附性能在研究中，作者使用一种具有顺磁性金属富勒烯，Sc3C2@C80(尺寸约0.8 nm)作为自旋探针嵌入到基于芘基的COF(Py-COF)的一个纳米孔，检测Py-COF内的气体吸附。然后，通过记录嵌入的Sc3C2@C80 EPR信号，研究了Py-COF对N2、CO、CH4、CO2、C3H6和C3H8气体的吸附性能。研究表明，Sc3C2@C80的EPR信号有规律地随Py-COF的气体吸附性能有关。并且与传统的吸附等温线测量不同，这种可植入的纳米自旋传感器可以通过原位实时监测来探测气体的吸附和解吸。所提出的纳米自旋传感器还用于探测金属-有机框架(MOF-177)的气体吸附性能，证明了其多功能性。气体吸附性能与EPR信号的关系气压对EPR信号的影响EPR信号线宽分析用Sc3C2@C80的分子自旋法探讨MOF-177的气体吸附过程摘要Nature Communications：嵌入式纳米自旋传感器用于原位探测多孔有机框架内气体吸附Embedded nano spin sensor for in situ probing of gas adsorption inside porous organic frameworks. Nature Communications (2023)自旋传感器因其高灵敏度而备受关注。在此，我们开发了一种基于金属富勒烯的纳米自旋传感器，用于探测多孔有机框架内的气体吸附情况。为此，我们选择了顺磁性金属富勒烯Sc3C2@C80，并将其嵌入芘基共价有机框架（Py-COF）的纳米孔中。使用电子顺磁共振波谱（EPR）技术检测了Sc3C2@C80在Py-COF中吸附N2、CO、CH4、CO2、C3H6和C3H8后的信号。结果表明，嵌入Sc3C2@C80后EPR信号有规律变化，这与Py-COF的气体吸附性能有关。与传统的吸附等温线测量方法不同，这种植入式纳米自旋传感器可以对气体的吸附和解吸进行原位实时监测。所提出的纳米自旋传感器还被用于探测金属有机框架(MOF-177)的气体吸附性能、证明了它的多功能性。因此，该纳米自旋传感器适用于量子传感和精密测量。国仪量子EPR用户奖励政策细则1.IF 提及国仪量子仪器型号的方法：要求在实验方法中提及仪器品牌型号：国仪量子EPR200-Plus，国仪量子EPR200M等，英文参考如下：Electron paramagnetic resonance spectroscopy spectra were measured on Chinainstru&Quantumtech (Hefei) EPR200-Plus with continues-wave X band frequency.奖励实施流程：1.用户申请：需为测试申请者及文章作者，直接联系CIQTEK应用中心应用专家、登录CIQTEK官方网址http://www.ciqtek.com、拨打CIQTEK官方服务热线400-0606-976；2.资格审核：身份审核、对相应文章发表情况、提及仪器情况及影响因子进行审核（提供相应证明：发表论文的接收函及论文原文，或已发表论文的网上版本链接）；3.审核通过后由公司统一发放奖励，发放形式协商确定。奖励申请说明：1.奖励后我司内部备注，每篇文章原则上只奖励一次；2.作品获得奖励后，即默认为作者授权主办方可以使用作者名及成果名称进行宣传推广活动，包括但不限于媒体宣传、现场展示、网络推广等；3.本政策有效期自2023年6月30日至2023年12月31日（如有变化会另行通知）；4.本奖励政策最终解释权归国仪量子（合肥）技术有限公司所有。国仪量子电子顺磁共振波谱仪近年来，国家大力支持国产高端科学仪器发展，推进高水平科技成果自立自强，国产高端科学仪器迎来了长足进步。国仪量子电子顺磁共振波谱仪为直接检测顺磁性物质提供了一种非破坏性的分析方法。可研究磁性分子、过渡金属离子、稀土离子、离子团簇、掺杂材料、缺陷材料、自由基、金属蛋白等含有未成对电子物质的组成、结构以及动力学等信息，能够提供原位和无损的电子自旋、轨道和原子核等微观尺度的信息。在物理、化学、生物、材料、工业等领域具有广泛的应用。国仪量子EPR系列

在量子材料与量子效应的研究中，无损的光谱学测量已经变得尤为重要。而在低温等极端条件下的原位显微光学测量是近十年来逐渐发展成熟的测量方法。近几年中大量重要的科研工作中都有低温光学测量的内容。Montana Instruments 生产的超精细多功能无液氦低温光学系统以其卓越的性能广受低温光学领域科学家的好评。超过千套设备分布在世界各地的重要高校和科研院所，并助力用户做出了大量的顶级科研成果。近期，超精细多功能无液氦低温光学系统用户的工作中又有两项问鼎了高水平学术杂志-Nature。1、正方晶格铱酸盐中的量子自旋向列相研究自旋向列是经典液晶概念的磁性类似物，是物质的第四种状态，同时表现出液体和固体的特征。特别是在价键自旋向列中，自旋具有量子纠缠效应，可以形成多极序而不破坏时间反演对称性，但目前为止，还难以在实验室进行透彻的研究。韩国浦项科技大学与浦项基础科学研究所的Hoon Kim, Jin-Kwang Kim, B. J. Kim等研究者利用变温拉曼光谱、磁光克尔测量和共振非弹性X射线散射等多种技术对Sr2IrO4进行测量，在正方格子铱酸锶 (Sr2IrO4) 中发现了自旋向列相和四极序，并利用共振X射线衍射技术确定了四极序的空间结构和对称性。其结果发表在Nature上（Quantum spin nematic phase in a square- lattice iridate）。本文中基于超精细多功能无液氦低温光学系统进行了大温区范围的变温拉曼测量。在冷却时，从拉曼光谱中获得了静态自旋四极磁化率的发散，以及伴随出现了与旋转对称自发破缺有关的集体模式。这标志着在Tc≈263K时向自旋向列相的转变，并且在Tn≈230K以下的反铁磁相中四极序持续存在。图：变温拉曼测量表明自旋向列相的相变。这一研究表明了在Mott绝缘相中存在自旋向列相等多重序，为我们提供了关于材料中隐藏序的新见解。研究还表明有可能通过电荷四极干涉来检测四极序。本篇研究的结果为探索具有强自旋轨道耦合的过渡金属氧化物等竞争相互作用材料中自旋向列相的产生提供了直接证据。揭示了人们普遍认为与高温超导机制密切相关的Néel反铁磁体的量子序。因此，这篇文章对于凝聚态物理领域的研究具有重要的推动作用。2、量子点-单光子超辐射研究量子光源发射器的亮度最终由费米黄金法则来决定，其辐射率与其振荡器强度乘以光子态的局部密度成正比。由于振荡器强度取决于固有的材料特性，因此对高发射率的追求依赖于使用电介质或等离子体谐振器来提高光子态的局部密度。相比之下，利用超辐射的集体行为来提高振荡器强度从而提高发射率这一途径研究还较少。最近，有人提出使用其巨振子强度跃迁可以使量子阱中的弱约束激子的相干运动延伸到许多晶胞上，从而明显提高振荡器的强度。图：载流子寿命的温度依赖特性瑞士苏黎世联邦理工学院Chenglian Zhu，Maksym V. Kovalenko & Gabriele Rainò等，在Nature上发文（Single-photon superradiance in individual caesium lead halide quantum dots），报道了单个铯铅卤化物量子点的单光子超辐射，在钙钛矿量子点中的单光子超辐射，辐射衰减时间低于100皮秒，几乎与报道的激子相干时间一样短。本篇工作中作者利用超精细多功能无液氦低温光学系统进行了系统的单量子点光谱测量。辐射率对量子点的大小、组成和温度的特性依赖性测量表明，系统形成了巨大的过渡偶极子，并且通过有效质量计算对测量结果进行了证实。本篇研究结果有助于开发超亮相干量子光源。本研究还证明了单光子发射的量子效应在比激子玻尔半径大十倍的纳米颗粒中持续存在。超精细多功能无液氦低温光学系统超精细多功能无液氦低温光学系统以超低振动和超高的温度稳定性被广泛应用于多种高精度的变温光谱和显微成像实验中。Montana Instruments推出的新一代超精细多功能无液氦低温光学系统——CryoAdvance，是基于模块化设计架构的新一代标准化产品。该系统采用特殊减振技术和温度稳定技术，在不牺牲任何便捷性的同时，为实验提供超高温度稳定性和超低振动环境。CryoAdvance系列产品具有多种型号、配置、选件与配件可选，能够满足每个研究人员的个性化需求。除了标准系统之外也可为用户提供整体光学测量系统的解决方案。 CryoAdvance技术特点：&blacksquare 自动控制：智能触摸屏，“一键式操作”，实时显示温度、稳定性、真空度等多种指标。&blacksquare 模块化设计：多种配置可选，快速满足各种实验需求，后续升级简单。&blacksquare 多通道设计：基本配置已包含光学窗口+直流电学+高频电学通道。&blacksquare 稳定性设计：新设计在变温和振动稳定性上进一步优化。&blacksquare 最低温度：3.2K&blacksquare 振动稳定性：&blacksquare 光学通道：多个光学窗口，近工作距离、集成物镜、光纤引入等多种配置可选。Montana超精细多功能无液氦低温光学系统

1945年，物理学家Zavoisky首次提出了检测电子顺磁共振信号的实验方法，经过70多年的发展，电子顺磁共振（EPR）技术已经在物理学、化学、生物与医学等许多领域获得了越来越广泛的应用。我国的电子顺磁共振研究起步较早，卢嘉锡、裘祖文、徐元植等教授为该领域在我国的发展付出了巨大的努力。浙江大学徐元植教授从1960年开始从事电子顺磁共振波谱学研究，是我国在该领域研究的开拓者之一。为促进我国电子顺磁共振学科的发展，徐先生在浙江大学教育基金会设立顺磁共振发展专项奖励基金。华南理工大学自旋科技研究院的蒋尚达教授在使用电子顺磁共振技术研究磁性分子量子相干性方面做出了创新性的贡献，荣获2021年度“徐元植顺磁共振波谱学优秀青年奖”。近期，蒋尚达教授接受了仪器信息网的采访，分享了他的科研经历与科研成果，以及他利用电子顺磁共振仪器开展的一系列工作。远离“舒适圈” 填补知识空白蒋尚达在博士阶段主要从事单分子磁体合成方面的研究，但苦于缺乏先进的表征手段去研究磁性分子的电子结构，因此博士毕业后他并没有继续博士阶段更为熟悉的研究，而是选择门槛较高、难度更大的电子顺磁共振技术作为博士后的主要研究内容。蒋尚达就这样进入了顺磁共振研究的研究领域。蒋老师起初并不熟悉顺磁共振的相关知识，花费大量时间阅读基础书籍、查找原始文献，巩固基础知识，后来深入了解搭建EPR谱仪的基本原理和技术方案，再到使用商用顺磁共振仪器开展科学研究。从频域到场域再到时域顺磁共振，从“EPR小白”到“优秀青年专家”，顺磁共振的相关技术，蒋尚达都能够娓娓道来。而正是在理论知识足够扎实的基础上，才有了后面相对“平坦”的科研之路。但当他已经清晰掌握系综电子顺磁共振波的相关技术和研究范式之后，蒋尚达再次选择退出“舒适圈”，继续去探索新的研究方向：光探测单分子顺磁共振。蒋尚达提到，现在这个研究方向是基于几年的调研工作，经历了选定-推翻-再选定这样不断反复的过程最终选择出来的，创新的科研工作不会是凭空想出来的，是需要通过大量阅读文献、长期积累的过程。这无疑是一条艰难的道路，但对蒋尚达来说却是极具吸引力并充满乐趣的。九篇文章申基金 不靠数量靠深度当被问到自己引以为豪的科研成果时，蒋尚达戏称自己的文章少的可怜，但提到每篇文章都是自豪的语气。他分享了发表在npj Quantum Information上的工作，他和课题组成员使用脉冲激光将富勒烯分子激发至三线态，并在该三线态上制备了三能级叠加态，进而观测到新奇的量子相位干涉现象。蒋尚达说，这篇工作具有比较强的代表性，因为这是他们课题组在多能级磁性分子中观测到新奇物理现象的第一篇工作。与传统的量子比特不同，磁性分子往往具有更多的可调控能级，因此一个磁性分子的希尔伯特态空间也就更大，具有更多的量子相位，物理内涵也就更加丰富，量子拓展性更强，但其缺点是量子相干性较差。蒋尚达的研究团队提出化学分子的笼状结构保护方案可以很好的延长磁性分子的量子相干时间，比较典型的分子就是内嵌富勒烯。例如蒋尚达研究团队报道的Gd2@C79N分子的自旋基态为S=15/2，其相干时间可达5微秒，是可以观测到量子相干行为的最高自旋分子。此外，蒋尚达团队还搭建了五族元素内嵌富勒烯分子的合成和纯化装置，他们制备的N@C60分子浓度可达5000 ppm，相干时间在液氮温度下则有上百微秒，是目前报道的最长相干性的高自旋分子（S=3/2）。基于这类高自旋分子的较长量子相干时间，蒋尚达团队还发现了电子能级中的几何量子相位，并实现了具有纠错功能的量子算法演示。蒋尚达的研究成果可以用“少而精”来概括。今年3月，他参加国家自然科学基金委员会优秀青年科学基金的结题答辩，专家对蒋尚达的研究工作评价很高，认为他的研究更加深入、透彻和系统。蒋尚达在该项课题中仅有9篇文章，但他提出的笼状结构保护磁性分子量子相干性的学术思想，以及高自旋分子拓展量子态空间的研究思路极具创新性。经过评审专家的考评，蒋尚达的优秀青年基金项目结题被评为优秀。蒋尚达说：“做基础研究的最大乐趣就是满足求知欲和好奇心。”把每一个课题都研究透彻，进行更深层次的挖掘，确保每一篇文章的产出都能够清晰地说明一个问题，而非单纯的追求发文速度与数量。当被问及科学研究的初心时，蒋尚达说：“我做科研的初心是为了填补科学认知的空白。”电子顺磁共振波谱仪是实验室里的“生命线”蒋尚达之前在北京大学工作时使用的是布鲁克E580电子顺磁共振波谱仪，现在来到了华南理工大学自旋科技研究院，又采购了一台E580，由于疫情原因暂未安装，对于课题组来说，电子顺磁工作波谱仪就是实验室里的“生命线”。“应该说，我们课题组是E580的重度使用客户”，蒋尚达在采访中这样说道。布鲁克的顺磁共振谱仪开发也有二十余年了，特别是脉冲式顺磁共振波谱仪，国内外的用户很多，这是比较成熟的商业化产品，设置的应用场景能够满足99%以上的用户对于仪器的使用。以E580为例，一个主要功能是进行电子-电子双共振实验，E580对于该类测试已经做的比较成熟了。但是对于蒋尚达而言，课题组研究则会更多的关注涉及商业产品之外一些其他的应用，例如外部脉冲电场的使用、复杂任意波形的应用、多频率、高带宽谐振腔的设计等等。蒋尚达提到，自己的团队对于仪器内部的功能已经非常的熟悉，当需要对仪器功能进行进一步开发时，常常会与布鲁克国内外的技术人员沟通，布鲁克的工作人员响应非常积极，在联系过程中双方建立了深厚的友谊。在交流过程中，布鲁克工作人员会深度详细地介绍仪器的拓展性，蒋尚达团队则基于这些介绍，对其进行新功能的开发。电子顺磁共振技术应用领域及未来发展前景电子顺磁共振技术在化学、材料、生命科学中的应用十分广泛：在无机化学反应领域，电子顺磁共振可以很好的研究研究产物微观电子态，南京大学王新平教授、大连化物所叶生发教授、国科大的李剑锋教授在该领域都有很好的研究成果；在有机化学领域，顺磁共振技术可以研究自由基的机理，武汉大学雷爱文教授在该方向有很好的成果；在材料科学中的应用，华东师范大学胡炳文教授开辟了很重要的方向，探究锂电池里氧化还原反应的机理；在生物领域，通常使用脉冲式电子顺磁共振研究生物大分子的构象，清华大学的方显杨教授做出了重要的研究；蒋尚达教授的研究方向也是基于脉冲电子顺磁共振技术的重要应用，即研究磁性分子作为电子自旋载体在量子信息科技中的应用。关于电子顺磁共振技术的未来发展，蒋尚达认为自旋微观态在化学反应和催化中的作用有较大的发展潜力，这涉及到原位电子顺磁共振波谱与超快光谱等的联用。蒋尚达认为，电子顺磁共振技术具有不可替代性和技术门槛较高的特点，尽管很多人需要该技术，但能够熟练使用该技术的科学工作者较少。华南理工大学自旋科技研究院就是一个具有交叉学科背景的新型科研创新平台，成立于2021年。研究院以磁性分子为主要研究对象，探索自旋相关的化学反应和物理效应，突破单分子自旋操控和读出技术，发展自旋相关量子材料和器件，开发相关分子诊疗技术与药物。研究院涵盖自旋化学、自旋操控、自旋材料与器材、自旋生物医学等多个研究方向，旨在解决自旋国际科学前沿的重大科学问题，研发自旋关键技术，建设国际自旋创新交流平台。后记：蒋尚达要求学生在选择的研究领域中理解应当力求深刻，只有在自己的小方向上的认知超过了导师才算一名合格的研究生。对待每一个学生，课题团队都会对学生进行非常详细地仪器培训，要求学生们在较高的科学素养基础上，了解研究的目的，清楚实验设置的含义，预设有可能出现的问题以及对应的解决方案。蒋尚达分析道：对待在研究上没有锐气的学生，应当给予鼓励和帮助，和他共同解决困难，找到新的方向；对待相对浮躁的学生，则应要求他做充分的文献调研，将不断涌出的新想法成熟化。蒋尚达说：学生应当打好基础，切忌盲目追求热点，务必要把研究做得更有深度！

一个国际研究团队首次成功测量了一类新型量子材料内的电子自旋，这一成就有望彻底改变未来量子材料的研究方式，为量子技术的发展开辟新途径，并在可再生能源、生物医学、电子学、量子计算机等诸多领域找到用武之地。相关研究论文已刊发于最新一期《自然物理学》杂志。左边是实验结果，中间和右边是理论建模。红色和蓝色表示电子的速度。图片来源：意大利博洛尼亚大学电子自旋是电子的基本性质之一，指电子在空间移动的曲率。在最新研究中，来自意大利、德国、英国和美国的研究人员，通过先进的实验技术，利用粒子加速器同步加速器产生的光，并借助于对物质行为建模的现代技术，首次成功测量了一种新型的、颇具潜力的拓扑量子“笼目”（kagome）材料内电子的自旋，这也是科学家首次测量与拓扑概念相关的电子自旋。“笼目”指一种传统的编织竹纹，意指编织的孔眼图案。意大利博洛尼亚大学梅尼科迪桑特解释说，以足球和甜甜圈为例，这两个物体形状不同，决定其拥有不同的拓扑性质。同样，电子在材料中的行为也受到某些量子性质的影响，这些量子性质决定了电子在物质内的自旋。尽管很多年前科学家们就知道了电子存在自旋，但迄今还没有人能够直接测量量子材料内电子的这种“拓扑自旋”。在最新研究中，为测量“笼目材料”内电子的自旋，研究人员利用了被称为“圆二色性”的特殊效应，这是一种只能与同步加速器光源一起使用的特殊实验技术，利用了材料基于不同偏振吸收不同光的能力。理论研究人员使用强大的超级计算机，实现了复杂的量子模拟，实验团队则据此实现了测量。“笼目材料”相关研究结果有助人们更多地了解此类材料特殊的磁性、拓扑性和超导性质，为量子材料和量子力学研究开辟新道路。

开发具有预期稳定性、规则结构和精确组分的功能材料是化学研究的重要内容之一。高自旋磁性团簇由于电子结构与几何构型、自旋态以及原子间相互作用区别于块体材料，展现出奇异的物理化学性质，为自旋电子学材料和微器件的设计开发提供了新思路。 　　中国科学院化学研究所分子动态与稳态结构实验室研究员骆智训课题组利用自主设计搭建的质谱与光电子能谱仪器，在金属团簇与超原子研究方面取得了系列进展。 　　近日，骆智训课题组、姚建年课题组，联合清华大学教授李隽理论团队，在探究阴离子Rhn-(n=3-33)簇与几种典型气体(包括O2、CO2、CH4和CH3Br)的反应中发现，Rh19-是具有特殊稳定性的幻数团簇，并结合光电子能谱确定了其高对称性与铁磁性的超八面体结构(S=10/2)。Rh元素本身并非磁性。研究表明，强磁性团簇Rh19-的特殊稳定性主要来源于其独特的电子结构与成键方式，且具有特殊的超原子轨道特征1S2|2S22P6|3S23P6。基于此，研究进一步提出了金属团簇“电子自旋态异构体”(Electron-spin state isomers，ESSIs)的新概念，剖析了Rh19-团簇光电子能谱热带(Hot-bands)。 　　该工作发现了一种高对称的、尺寸在1nm的Rh19-团簇，对应于面心立方晶体铑的一个片段，诠释了从金属原子到可调控磁/电性质固体材料的结构演变规律，为剖析过渡金属光电子性质提供了原子精准的范例，并为材料基因的原子构造提供了新思路。 　　相关研究成果发表在《科学进展》(Science Advances，DOI：10.1126/sciadv.adi0214)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部和中国科学院的支持。南方科技大学科研人员参与研究。图1. 铁磁性超八面体Rh19-团簇的发现图2. (a)基于自主研制仪器(TOF-MS)制备的阴离子Rhn-团簇与CO2反应前后的质谱图；(b)Rh19-团簇分别在355 nm和266 nm激光下的光电子能谱；(c)金属团簇电子自旋态异构体(Electron-spin state isomers，ESSIs)机制；(d)由全局搜索确定的Rh19-的最低能量结构及范德华半径；(e)Hirshfeld电荷布居；(f)Rh19-的自旋密度布居。

中国科学技术大学郭光灿院士团队在硅基半导体自旋量子比特操控研究中取得重要进展。该团队郭国平教授、李海欧研究员与中科院物理所张建军研究员等人，和美国、澳大利亚的研究人员及本源量子计算公司合作，实现了硅基自旋量子比特的超快操控，其自旋翻转速率超过540MHz，是目前国际上已报道的最高值。研究成果以“Ultrafast coherent control of a hole spin qubit in a germanium quantum dot”为题，于1月11日在线发表在国际知名期刊《自然⋅通讯》上。硅基半导体自旋量子比特以其长量子退相干时间和高操控保真度，以及其与现代半导体工艺技术兼容的高可扩展性，成为量子计算研究的核心方向之一。高操控保真度要求比特在拥有较长的量子退相干时间的同时具备更快的操控速率。传统方案利用电子自旋共振方式实现自旋比特翻转，这种方式的比特操控速率较慢。研究人员发现，利用电偶极自旋共振可以实现更快速率的自旋比特操控。电偶极自旋共振的一种方案是通过嵌入器件中的微磁体结构所产生的“人造自旋轨道耦合”来实现，但这会使自旋量子比特感受到更强的电荷噪声，从而降低自旋量子比特的退相干时间，同时降低自旋量子比特阵列的平均操控保真度，阻碍硅基自旋量子比特单元的二维扩展。另一种有效方案是使用材料中天然存在的自旋轨道耦合进行自旋量子比特操控。硅基锗量子点中的空穴载流子处于P轨道态，因而天然具有较强的本征自旋轨道耦合效应和较弱的超精细相互作用。利用电偶极自旋共振技术，仅通过单个交变电场即可实现对空穴自旋量子比特的全电学控制，大大简化了量子比特的制备工艺，有利于实现硅基自旋量子比特单元的二维扩展。鉴于此，近几年硅基锗空穴体系中的自旋轨道耦合研究和实现超快自旋量子比特操控成为该领域关注的热点。自旋轨道耦合场的方向会影响自旋比特操控速率及比特初始化与读取的保真度。因此，测量并确定自旋轨道耦合场的方向是实现高保真度自旋量子比特的首要任务。研究组在2021年首次在硅基锗量子线空穴量子点中实现了朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控[NanoLetters21, 3835-3842 (2021)]。在此基础上，李海欧等人进一步优化器件性能，在耦合强度高度可调的双量子点中完成了自旋量子比特的泡利自旋阻塞读取，观测到了多能级的电偶极自旋共振谱。通过调节和选择共振谱中所展示的不同自旋翻转模式，实现了自旋翻转速率超过540MHz的自旋量子比特超快操控。研究人员通过建模分析，揭示了超快自旋量子比特操控速率的主要贡献来自于该体系的强自旋轨道耦合效应（超短的自旋轨道耦合长度）。研究结果表明硅基锗空穴自旋量子比特是实现全电控量子比特操控与扩展的重要候选体系，为实现硅基半导体量子计算奠定了重要研究基础。图1. (a)硅基锗量子线空穴双量子点和自旋比特操控示意图，(b)自旋比特翻转速率随微波功率增加而增加， (c)微波功率为9dBm时，自旋比特操控速率可达542MHz。中科院量子信息重点实验室博士后王柯和博士研究生徐刚（已毕业）为论文共同第一作者。中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧研究员和中科院物理所张建军研究员为论文共同通讯作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院以及安徽省的资助。李海欧研究员得到了中国科学技术大学仲英青年学者项目的资助。

利用手性与自旋极化的相互转换产生自旋流是近年来自旋电子学领域的研究热点，相关现象被称之为“手性诱导自旋选择性”（Chirality-Induced Spin Selectivity, CISS）。CISS在自旋电子学器件中具有潜在的应用价值和丰富的物理内涵，但是手性与自旋极化相互转换的微观机理一直是激烈争论的科学问题。佛罗里达州立大学熊鹏教授团队与中国科学院半导体研究所赵建华研究员团队合作，以“磁性半导体/手性分子/非磁性金属”为核心构建自旋阀器件（图1），系统研究了具有不同自旋轨道耦合强度的金属电极对器件磁电导的影响，揭示了手性与电子自旋极化的转换机理。具体而言，当非磁性金属为具有强自旋轨道相互作用的Au电极时，能观察到显著的类自旋阀信号；而当非磁性金属为Al电极时，类自旋阀信号则减小了约一个数量级（图2）。魏茨曼科学研究所颜丙海教授从理论上指出，手性分子的结构不对称性使得电子产生轨道极化，而具有强自旋轨道耦合的非磁性金属电极进一步将电子的轨道极化转换为电子的自旋极化。在此基础上，该合作团队发展出一个势垒可调的隧穿模型，很好地对实验数据进行了定量解释。值得指出的是，高质量的磁性半导体(Ga,Mn)As薄膜在这项工作中发挥了关键作用。实际上，前期的类似工作未能给出令人信服的实验数据，其主要原因在于自组装的手性分子隧穿势垒层不可避免地存在孔洞等缺陷，从而导致“磁性金属/手性分子/金属”自旋阀器件短路失效。而在分子和金属电极间加一层薄的氧化绝缘层的方法又会增加器件本身的复杂性。将磁性金属换成磁性半导体(Ga,Mn)As，由于金属/半导体肖特基势垒的存在，上述问题得到了有效解决。此外，(Ga,Mn)As可以通过应变将其调控为垂直各向异性材料，为观测到清晰可靠的自旋阀信号提供了保障。该工作以“Interplay of structural chirality, electron spin and topological orbital in chiral molecular spin valves”为题近日发表于Nature Communications。佛罗里达州立大学Yuwaraj Adhikari博士生和柳天寒博士为论文的共同第一作者，半导体所赵建华研究员、魏茨曼科学研究所颜丙海教授和佛罗里达州立大学熊鹏教授为共同通讯作者，半导体所王海龙副研究员也为本工作做出重要贡献。这项工作建立在该合作团队前期构建“手性分子/半导体”自旋阀器件的基础上。他们通过系统研究自旋阀信号对电流和电压的依赖行为，为建立合理的物理模型提供了实验基础。相关工作以“Linear and Nonlinear Two-Terminal Spin- Valve Effect from Chirality-Induced Spin Selectivity”为题发表于ACS NANO14, 15983 (2020)。上述工作得到了科技部、中国科学院和国家自然科学基金委的项目经费资助。图1 (a) 手性分子产生电子自旋极化的机理示意图。(b,c) 垂直自旋阀的器件结构示意图和扫描电镜图。图2 非磁性金属为 (a) Au和 (b) Al 对应的类自旋阀信号。

全空域、全时域的无缝定位导航是未来定位导航产业的技术制高点。随着量子精密测量技术的快速发展，基于量子精密测量的陀螺及惯性导航系统具有高精度、小体积、低成本等优势，将对无缝定位导航领域提供颠覆性新技术。　　“十二五”863计划地球观测与导航技术领域主题项目“基于磁共振的微小型原子自旋陀螺仪关键技术”由北京自动化控制设备研究所承担，项目研究开展一年半取得突破性进展。项目组攻克了核自旋-电子自旋耦合极化与检测等精密量子操控技术，完成了小型化磁共振气室、高效磁屏蔽等元件的精密设计与制造，并研制成功我国首个基于磁共振的原子自旋陀螺仪原理样机。样机零偏稳定性优于2° /h，成为世界上第二个掌握该技术的国家，与美国技术差距从10年缩小到7年。　　项目所取得的研究成果为进一步提高基于磁共振的微小型原子自旋陀螺仪的精度与集成度，为支撑我国量子导航领域的发展打下了坚实的技术基础。原子陀螺仪的技术突破使现有应用于高端装备的无缝定位导航系统的体积、质量、功耗、成本等下降约两个数量级，将应用于大众定位导航市场，可在微小体积、低成本条件下实现米级定位精度，提供不依赖卫星的全空域、全时域无缝定位导航新能力。

传统的自旋信息器件主要基于对铁磁材料中磁矩的精确操控与探测，但由于杂散场、较小的磁各向异性场等本征缺陷，使得铁磁自旋信息器件面临挑战。具有零净磁矩的反铁磁材料拥有超快的自旋动力学特征、极小的杂散场和较强的抗外场干扰能力，在超高密度信息存储和超高速度信息处理方面颇具应用潜力，被认为是下一代自旋信息器件重要的候选载体材料。 　　拓扑反铁磁材料(如典型代表Mn3Sn)集合了常规反铁磁体中零杂散场和超快自旋动力学特征以及拓扑材料中非平庸拓扑能带诱导的大磁输运特性等优势，为反铁磁自旋信息器件的实际应用提供了可行的解决方案。其中，如何利用全电学方法有效操控、探测反铁磁的磁化状态以及设计并制备基于反铁磁材料的新型拓扑自旋结构，是其在信息存储或自旋逻辑器件应用中亟待解决的关键问题。 　　近日，中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室王开友课题组与南方科技大学教授卢海舟合作，在无重金属电流注入的条件下，利用Mn3Sn自身非平衡局域自旋积累实现了非共线反铁磁外尔半金属的无外场磁化翻转，并进一步实现了全电控反铁磁多态翻转(图1)。 　　研究通过与铁磁/重金属异质结、共线反铁磁/重金属异质结的无外场翻转中读写效率比较发现，Mn3Sn具有更高的读写效率(反常霍尔电阻率/临界翻转电流密度)，这证明Mn3Sn是一种高效且稳定性高的反铁磁材料(图2)。与Mn3Sn异质结薄膜相比较，理论和实验表明纯Mn3Sn具有最大的对称性破缺，验证了Mn3Sn全电控磁化翻转的物理来源。 　　该工作解决了具有大读出信号的反铁磁材料难以利用全电学方法调控的难题，为设计和研制全电控反铁磁新功能器件和芯片的发展提供了可行方案。相关成果以All-electrical switching of a topological non-collinear antiferromagnet at room temperature为题，发表在《国家科学评论》(National Science Review，DOI：10.1093/nsr/nwac154)上。 　　为进一步探索基于非共线反铁磁Mn3Sn薄膜的新型拓扑自旋织构，王开友课题组与半导体所超晶格室常凯院士课题组、中国科学院合肥强磁场科学中心教授陆轻铀课题组合作，在Mn3Sn/Pt异质结构中，通过调节界面Dzyaloshinskii-Moriya相互作用的大小，首次在室温下实现了Mn3Sn自旋织构从共面倒三角型到Bloch型斯格明子(skyrmions)的演化。 　　此外，在Mn3Sn/Pt系统中，该团队发现了温度诱导的斯格明子-反铁磁类半子(meron-like)自旋织构的非常规转变(转变温度大约220 K)(图3)。理论计算表明，这种拓扑自旋织构的转变与Mn3Sn晶胞内笼目(kagome)亚结构之间反铁磁交换相互作用的温度依赖性有关。 　　该工作不仅证明了非共线反铁磁异质结系统中丰富多样的拓扑自旋织构，而且为利用应变或插层等手段调节层间相互作用来构筑新型拓扑自旋织构提供了可行方案。相关成果以Topological spin textures in a non-collinear antiferromagnet system为题，发表在《先进材料》(Advanced Materials，DOI：10.1002/adma.202211634)上。 　　研究工作得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金和北京市自然科学基金重点研究专题项目等的支持。图1.Mn3Sn展现出巨大的反常霍尔效应，基于非平衡自旋流积累实现了纯Mn3Sn磁化翻转，在此基础上演示了二态翻转和多态翻转。图2.非共线反铁磁Mn3Sn无外场翻转读写效率与其他有序磁性材料/重金属异质结无外场翻转的比较。结果表明纯Mn3Sn全电控磁化翻转的效率更高。图3.设计制备的非共线反铁磁/重金属(Mn3Sn/Pt)异质结中，利用界面DMI效应诱导出室温斯格明子以及220 K附近发现的斯格明子-反铁磁类半子的转变。

近日，暨南大学研究员陈振强团队揭示了自旋-轨道光学拉比振荡现象，首次在理论和实验上同时展示了自旋-轨道耦合的拉比振荡行为。相关研究论文发表于Light：Science & Applications。陈振强带领的光场调控科研团队研究无发散结构光场与人工晶体相互作用，在高阶光学体系下构建赝自旋-1/2模型，分别在强、弱耦合条件下实现自旋-轨道拉比振荡。此外，通过外场调控等效磁场，实现拓扑荷可调的角动量光场。研究结果有望在经典和量子光学中找到应用。拉比振荡是二能级量子波包在外磁场驱动下发生周期性振荡的现象，是物理学中重要的基本物理效应之一，已在诸多领域得到应用，如核磁共振成像。目前，拉比振荡已逐渐扩展到其它物理体系，包括原子分子物理、声学、凝聚态物理、光学等。在现有研究工作中，拉比振荡只涉及两种独立的振荡形式：自旋态振荡和轨道态振荡。如何在高阶物理体系实现自旋-轨道耦合的拉比振荡？针对这一基本问题，研究人员通过类比量子力学自旋1/2系统，利用左、右旋圆偏振涡旋光场构建高阶光学体系的赝自旋1/2系统，并导出相应的等效磁场模型。在等效磁场的作用下，高阶赝自旋态（结构光场模式）在两“能级”间发生周期性振荡。研究人员进一步利用外电场调控等效磁场，操控拉比振荡光场的演化行为。在电场的驱动下，实现不同拉比振荡模式的切换，这一现象为光场多维调控提供新的技术原理。上述研究得到国家自然科学基金项目、广东省重点项目、广州市科技计划项目、珠江人才计划项目等的支持。

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中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室彭新华教授研究组在自旋量子精密测量领域取得重要进展，首次提出和验证了Floquet自旋量子放大技术，该技术克服了以往只在单个频率处量子放大的局限性，实现了多频段极弱磁场信号的量子放大，灵敏度达到了飞特斯拉水平。相关研究成果于6月9日以“Floquet Spin Amplification”为题在线发表于著名国际学术期刊《Physical Review Letters》上[Phys. Rev. Lett. 128, 233201 (2022)]，并被选为“编辑推荐（Editors’Suggestion）”文章。现代自然科学和物质文明是伴随着测量精度的不断提升而发展的。随着量子力学基础研究和科学技术的发展，通过原子、分子、自旋等物理系统可以实现微弱信号的量子增强放大。相比于基于经典电路的传统放大技术，量子增强放大受限于更低的量子噪声且具有更高的放大增益，为提升测量精度提供了强有力的研究手段，因此受到大家的广泛关注和研究。目前，量子放大技术已经在诸多测量过程发挥不可替代的作用，催生出许多革命性成果，例如微波激射器、激光器、原子钟，甚至宇宙微波背景辐射的首次发现等，诺贝尔物理学奖也曾多次授予相关领域。然而目前对量子放大精密测量技术的探索仍然有限，实现信号放大主要依赖于量子系统固有的离散能级跃，由于可调谐性的限制，量子系统固有离散跃迁频率往往无法满足放大需要的工作频率，因此限制了量子放大器的性能，如工作带宽、频率和增益等。如果能够克服以上困难，量子放大技术的性能将可以得到很大改善，对探测极弱电磁波和奇异粒子等基础物理和实际应用具有重要意义。成果示意图：（a）Floquet能级；（b）Flqouet量子自旋放大器原理图；（c）磁探测灵敏度。针对以上难题，本文研究人员提出了Floquet自旋量子放大技术，成功克服了以往探测频率范围小等限制，实现了对多个频率的极弱磁场放大。这项技术得益于该组之前提出的“自旋放大技术”[Nat.Phys. 17, 1402 (2021)]和“Floquet调制技术”[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]，将二者有机结合，从而将量子放大技术推广到Floquet自旋系统：利用Floquet调制技术调控自旋的能级与量子态，将固有的二能级系统（如129Xe核自旋）修饰为周期性驱动Floquet系统，从而具有很多独特的性质，使得系统形成了一系列等能量间距分布的Floquet能级结构，在这些能级之间可以发生共振跃迁，因此有效拓广了磁场放大的频率范围。通过理论计算和实验研究，首次展示了Floquet系统可以实现多个频率待测磁场2个数量级的同时量子放大，测量灵敏度达到了飞特斯拉级级别。该工作首次将量子放大技术扩展到Floquet自旋系统，有望进一步推广到其他量子放大器，实现全新的一类量子放大器——“Floquet量子放大器”。彭新华研究组长期瞄准量子精密测量领域，利用量子精密测量技术来解决世界前沿科学问题。包括于2018年自主研发出超灵敏原子磁力计，并且利用该技术实现了无需磁场的新型核磁共振技术——“零磁场核磁共振”[Sci. Adv. 4(6), eaar6327 (2018)]；于2019年至2020年发展新型原子磁力仪技术[Adv. Quantum Technol. 3, 2000078 (2020)，Phys. Rev.Applied 11, 024005 (2019)]，达到了国际领先水平的磁场探测灵敏度；通过进一步研究，于2021年实现了新型的自旋微波激射器，在低频段创造了国际最佳的磁探测灵敏度[Sci. Adv. 7(8), eabe0719 (2021)]。之后，该研究组将已发展的平台型量子精密测量技术用于寻找超越标准模型的新粒子，取得了一系列对推动学科领域发展有实质性贡献的研究成果。包括于2021年利用新型量子自旋放大器搜寻暗物质候选粒子，首次突破国际公认最强的宇宙天文学界限[Nat.Phys. 17, 1402 (2021)]，以及实现了对一类超越标准模型的新相互作用的超灵敏检验，实验界限比先前的国际最好水平提升至少2个数量级[Sci. Adv. 7, eabi9535 (2021)]。中科院微观磁共振重点实验室江敏副研究员、博士研究生秦毓舒和王鑫为该文共同第一作者，彭新华教授为该文通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委和安徽省的资助。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.233201量子自旋放大技术论文链接：https://www.nature.com/articles/s41567-021-01392-z

中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室教授彭新华研究组在自旋量子精密测量领域取得重要进展，首次提出和验证了弗洛凯（Floquet）自旋量子放大技术，灵敏度达到了飞特斯拉（即10的负十五次方特斯拉）水平。相关研究成果日前在线发表于《物理评论快报》，并被选为“编辑推荐”文章。审稿人认为该工作“为精密测量以及检验新物理规律提供了超灵敏方法”。随着量子力学基础研究和科学技术的发展，通过原子、分子、自旋等物理系统可以实现微弱信号的量子增强放大。相比基于经典电路的传统放大技术，量子增强放大技术具有更低的量子噪声和更高的放大增益，为提升测量精度提供了强有力的研究手段，受到广泛关注和研究。然而，目前对量子放大精密测量技术的探索仍然有限，实现信号放大主要依赖于量子系统固有的离散能级跃，由于可调谐性的限制，量子系统固有离散跃迁频率往往无法满足放大需要的工作频率，因此限制了量子放大器的性能，如工作带宽、频率和增益等。如果能够克服以上困难，量子放大技术的性能将可得到很大改善，对探测极弱电磁波和奇异粒子等具有重要意义。彭新华研究组研究人员提出了Floquet自旋量子放大技术，克服了以往探测频率范围小等限制，实现了对多个频率的极弱磁场放大。这项技术得益于研究组此前提出的“自旋放大技术”和“Floquet调制技术”，将二者有机结合，从而将量子放大技术推广到Floquet自旋系统。通过理论计算和实验研究，研究团队首次展示了Floquet系统可以实现多个频率待测磁场2个数量级的同时量子放大，测量灵敏度达到了飞特斯拉级级别。据悉，该工作首次将量子放大技术扩展到Floquet自旋系统，有望进一步推广到其他量子放大器，实现全新的一类量子放大器——“Floquet量子放大器”。

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在二维范德瓦尔斯材料固态自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺研究组与匈牙利魏格纳物理研究中心教授AdamGali等合作，实验研究并理论解释了六方氮化硼（hexagonalboronnitride，hBN）中带负电硼空位（VB-）色心受磁场调制的自旋相干动力学行为，揭示了hBN中VB-色心电子自旋与核自旋之间的相干耦合和弛豫机制，这对发展基于二维范德瓦尔斯材料的相干自旋系统及低维量子器件具有重要意义。9月29日，相关研究成果发表在《自然-通讯》（Nature Communications）上。 近年来，研究发现，宽禁带范德瓦尔斯材料hBN是室温自旋色心的优秀宿主。范德瓦尔斯材料通过简单的机械剥离便可制备为原子厚度的二维结构，且可与多种微纳结构相耦合，在低维量子器件制备和近场传感探测等方面比三维体材料具有天然优势，因而hBN中的自旋色心成为固态自旋色心领域的研究热点。目前，研究最广泛的hBN自旋色心为VB-色心，且集中于VB-的电子自旋，而对VB-电子自旋周围的核自旋缺乏深入研究及观测。由于色心周围的核自旋是固态自旋维度扩展的主要途径之一，且是造成固态自旋弛豫的主要因素。因此，VB-色心的电子自旋与周围核自旋耦合形成的多自旋体系的相干动力学研究，对推动基于范德瓦尔斯材料的固态量子自旋技术至关重要。本工作中，研究组使用中子辐照技术在hBN中制备出高浓度的VB-色心样品，并利用ODMR（optical probing magnetic resonance）技术探测VB-自旋能级结构，观测到VB-色心中电子自旋与3个最近邻14N核自旋相互作用产生的超精细劈裂以及14N核自旋偏振随磁场增强的极化现象。同时，研究组对VB-进行多项室温相干操控和探测，包括Rabi振荡、自旋回波、Ramsey干涉探测等。探测结果表明，VB-自旋受到明显的核自旋相干调制，且核自旋调制效应会随磁场增加而变强。为进一步揭示相关现象的内在动力学机制，研究组理论构建了VB-电子与最近邻14N核自旋组成的4自旋系统，并对该4自旋系统的多种动力学性质进行无参数（parameterfree）的理论模拟。结合实验与模拟结果，研究组发现VB-色心中存在较强的电子与核自旋相互作用，同时最近邻14N核自旋极化也受到显著的驱动微波动态调制。此外，研究组还在理论模拟中引入了包含127个14N和11B的多体核自旋环境，并模拟了与之相互作用的开放4自旋VB-系统的动力学行为。通过对照实验和理论结果，研究组发现11B核自旋环境主导了VB-色心的自旋弛豫，而磁场能够减弱核自旋环境的弛豫效应并增强VB-电子与最近邻14N的相干耦合。（a）VB-色心的原子结构示意图；（b）VB-色心的电子自旋能级结构；（c）不同磁场下VB-色心的ODMR信号；（d）不同磁场下VB-色心的Rabi振荡信号。该研究从实验和理论上揭示了VB-色心中存在显著的电子和最近邻14N核自旋相干耦合，以及多体11B核自旋环境导致的VB-色心自旋弛豫。该工作为将VB-相干操控自旋拓展至核自旋以及发展相关低维固态量子系统奠定了基础。研究工作得到科技部、国家自然科学基金、中科院和合肥国家实验室等的支持。

中国科大郭光灿院士团队在硅基半导体锗纳米线量子芯片研究中取得重要进展。该团队郭国平、李海欧等人与中科院物理所张建军和本源量子计算有限公司合作，首次在硅基锗空穴量子点中实现朗道g因子张量和自旋轨道耦合场方向的测量与调控，对于该体系更好地实现自旋量子比特操控及寻找马约拉纳费米子有着重要的指导意义。研究成果以“Anisotropicg-factor and Spin-Orbit Field in a Germanium Hut Wire Double Quantum Dot”为题，发表在5月12日出版的国际纳米器件物理知名期刊《Nano Letters》上。近年来对自旋轨道耦合的研究一直是半导体量子计算和拓扑量子计算研究的热点。半导体材料中的自旋轨道相互作用能够使粒子的自旋与轨道这两个自由度耦合在一起，该机制在实现自旋电子学器件、自旋量子比特操控及寻找马约拉纳费米子中起着举足轻重的作用。在半导体自旋量子比特操控研究中，现有的自旋量子比特的操控方式依赖于样品制备中集成的微波天线或微磁体这些可以产生人造调制磁场的结构，这使得量子比特大规模扩展时在可寻址和芯片结构制备方面受到制约。同时，微磁体结构会使自旋量子比特感受到更强的电荷噪声，导致自旋量子比特退相干时间的降低。因此，一种可行的解决方案是用材料中存在的自旋轨道耦合来实现全电学的自旋量子比特操控。具体对于一维硅基锗纳米线空穴量子点而言，由于空穴载流子体系中本身存在着很强的自旋轨道耦合，我们可以利用电偶极自旋共振技术，通过施加交变电场实现对自旋量子比特的全电学控制，大大简化了量子比特的制备工艺，有利于实现硅基量子计算自旋比特单元的二维扩展。在自旋轨道耦合的电偶极自旋共振操控方式下，比特的操控速率与自旋轨道耦合强度成正比，因此我们可以通过改变外加电场的方式来增强自旋轨道耦合强度从而实现更快的比特操控速率。除此之外，自旋轨道耦合场的方向也会影响自旋量子比特的操控速率以及比特初始化与读取的保真度，因此在利用自旋轨道耦合实现自旋量子比特操控时，确定和调控自旋轨道耦合场的方向显得尤为重要。图1. 硅基锗纳米线空穴双量子点中g因子张量及自旋轨道耦合场方向。李海欧、郭国平等人在制备的高质量的硅基锗空穴载流子双量子点中观察到了自旋阻塞效应，并在自旋阻塞区域测量了由自旋弛豫引起的漏电流大小随磁场大小及磁场方向的变化关系，通过理论分析，研究人员得到了该体系具有强各向异性的g因子张量，同时确定了自旋轨道耦合场的方向位于锗纳米线衬底面内并与锗纳米线方向成59°，说明体系中除了存在垂直于锗纳米线的Rashba自旋轨道耦合，还存在着沿着纳米线方向的可能是由界面不对称性引起的Dresselhaus自旋轨道耦合。我们可以通过改变纳米线的生长方向使得上述两种自旋轨道耦合方向相反大小相等，从而实现自旋轨道耦合的开关，当体系处于“sweet spot”（即自旋轨道耦合完全关闭）时，由自旋轨道耦合引起的退相干过程会大幅度地被抑制，自旋量子比特的退相干时间会得到有效地延长。这一发现对该体系在自旋量子比特制备与操控研究中，在保持超快比特操控速率的同时进一步延长比特的退相干时间提供了新的思路，为全电控规模化硅基自旋量子比特芯片研究奠定了物理基础。中科院量子信息重点实验室郭国平教授、李海欧研究员为论文共同通讯作者，中科院量子信息重点实验室博士生张庭、刘赫以及中科院物理研究所博士后高飞为论文共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省以及中国科学技术大学的资助。论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.1c00263

忆阻器是一类表示磁通与电荷关系的基础电路元件，也是构建人工神经网络的理想元件。传统忆阻器多数是基于材料内部的离子迁移和价带变化实现的，存在工作寿命短和反应速度慢等缺陷，无法支撑持续训练学习的神经网络的长时间工作[2]。与之相反，自旋电子器件基于材料内部的磁性变化工作，具有工作寿命长、反应速度快等优势[3-7]。长期以来，科学和产业界在不断地探索如何将磁隧道结等自旋器件应用于神经网络计算[8]。然而，经典的磁隧道结仅具有高、低二值阻态，无法在神经网络计算方面发挥优势。 2021年3月7日，北京航空航天大学集成电路科学与工程学院赵巍胜教授团队教师张学莹、博士生蔡文龙、教师王梦醒及潘彪以共同位作者，赵巍胜教授为通讯作者在Advanced Science期刊在线发表了题为“Spin‐Torque Memristors Based on Perpendicular Magnetic Tunnel Junctions for Neuromorphic Computing” 的学术论文[1]。赵巍胜教授团队设计了一种带有特自由层结构的磁隧道结，即在自由层中插入了单原子层的W，然后利用退火技术，让W形成聚簇效应，实现了一种基于垂直各向异性磁隧道结的自旋忆阻器，并在百纳米的器件中实现了稳定的近乎连续的多态，也是国际上次实现百纳米尺寸的可全电学操控的自旋忆阻器（如图1所示），有望为自旋电子器件在人工智能领域的应用打开道路。图 1 （a，b）该工作实现的自旋忆阻器件通过电压脉冲序列激励诱导的阻态变化；（c-e）器件的脉冲时序依赖可塑性验证。 该研究对这种新型器件的性质进行了全面的实验表征，验证了这种器件阻态的脉冲时序依赖可塑性（简称STDP，是脉冲神经网络的基础），证明了其构成的系统能够高效率、低功耗地实现手写数字识别等功能。 此外，该研究次发现了一种立体的手性涡旋结构（图2d）：在CoFeB/W/CoFeB构成的自由层中，CoFeB/W界面和W/CoFeB界面产生的Dzyaloshinskii-Moriya作用（DMI）相反，同时，两层CoFeB之间的耦合作用则随着W的厚度变化出现强度涨落或铁磁/反铁磁耦合交替。在局部区域W出现聚簇效应，反铁磁耦合与反向DMI联合作用，促使磁畴壁演变成手性涡旋结构，形成能量势阱。在磁隧道结自由层翻转过程中，这种涡旋结构会将运动的畴壁牢牢地钉扎住，从而形成了稳定的多阻态。图 2 (a)论文所用MTJ膜层中W原子的分布；（b）在反向DMI和不同RKKY耦合强度下CoFeB/W/CoFeB双磁层中可能存在的磁畴壁形态；（c）不同磁畴壁形态对应的能量；（d）在W原子聚簇区域由反向DMI和RKKY反铁磁耦合共同促进形成的立体涡旋结构示意图。 值得一提的是，Quantum Design中国与致真精密仪器（青岛）有限公司合作推出的多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统对解析自旋忆阻器的工作原理分析和多态来源方面发挥了重要作用。 先，作者通过高分辨率磁光克尔显微镜观察了MTJ膜层自由层的磁性翻转过程，与磁滞回线测量结果进行了对照，发现文章所用膜层存在较强的磁畴钉扎作用（如图3）。同时，作者测量了该材料自由层中磁畴壁移动速度，通过蠕行公式（creep mode motion）拟合，提取了一个重要的参数：本征磁畴壁钉扎磁场Bdep，如图4a所示。这个磁场是表征磁性薄膜磁畴壁钉扎强度的标志性参数，低于该临界磁场，不考虑热扰动的情况下，磁畴壁无法运动。经对比发现，薄膜中提取的该磁场与忆阻器件中多态在低温下的临界稳定磁场几乎相等，由此确定了自旋忆阻器件的多态来源于磁畴钉扎（图4b）。以磁光克尔显微镜为工具，通过磁畴壁速度测量提取磁畴壁本征钉扎磁场强度，是少有的能够定量评估磁性薄膜质量和畴壁钉扎强度的方法，在开发新材料，优化自旋电子器件性能方面得到广泛应用[7][9]。 图 3 利用高倍磁光克尔显微镜观察到的该自旋忆阻器自由层中磁畴扩张状态与磁滞回线的对应关系。图 4 （a） 磁光克尔显微镜测量的CoFeB/W/CoFeB磁性薄膜（蓝）与普通CoFeB薄膜（红）中磁畴中磁畴壁运动速度的比较；以及CoFeB/W/CoFeB中内禀钉扎磁场（16.3 mT）与（b）器件在低温下的多态稳定磁场（去除偏置后为15.5 mT）的比较。 在CoFeB/W/CoFeB自由层薄膜中，为什么会有如此强的磁畴壁钉扎作用呢？作者利用磁光克尔显微镜，从DMI、海森堡交换作用强度等多个角度进行了细致表征。先，分别定量测量了sub/MgO/CoFeB/W薄膜、sub/W/CoFeB/MgO两种镜面对称薄膜结构的DMI，发现两种膜层的DMI手性相反且强度相当（图5）。随后，测量了多态器件所用的自由层薄膜CoFeB/W/CoFeB的DMI，强度几乎为零。由此推测，CoFeB/W界面和W/CoFeB的DMI被中和。另一方面，通过透射电镜，作者观察到了CoFeB/W/CoFeB中W原子的分布并不均匀，局部出现了聚簇，W原子垒叠成2层甚至3层，而多数区域W原子则为单层甚至出现断裂。依据S. Parkin测量结果[10]，双原子层的W能够使上下两层铁磁材料发生RKKY反铁磁耦合。进一步，作者通过微磁仿真，结合磁光克尔成像获得了关于DMI，海森堡交换作用（测量方法见该文章附加材料[1]）等参数，证明在具有W聚簇的区域，能够形成上下层手性相反的的垂直涡旋结构。而且，这种涡旋结构具有较低能量，在磁畴壁经过之时，能够形成强烈的钉扎作用。图 5 利用磁光克尔显微镜测量不同薄膜结构中磁畴壁运动的速度以及DMI的提取。 磁光克尔显微镜除了能够获得高分辨率的动态磁畴观测外，在磁性薄膜材料和自旋电子器件动力学分析领域也有着突出的优势，它能够直观、高效、无损地测量多种参数，包括饱和磁化强度、各向异性强度、海森堡交换作用强度和DMI强度等。通用型的磁光克尔显微镜很难对这些磁学参数进行直接的测量，为了降低使用门槛，使磁光克尔成像和磁畴动力学分析技术在磁学和自旋电子学中发挥更大作用，张学莹老师在多年积累的测试经验和仪器配置方案基础上，开发出了一款多功能、智能化的多场高分辨率磁光克尔成像系统。该系统能够让用户利用软件定义电、磁等多种想要的波形，一键触发后，在样品上同步施加垂直/面内磁场、电流脉冲、微波信号，可同时进行磁光克尔成像和电阻等参数的测量。这种多功能的设备将电输运测试和磁光克尔成像结合，预期将在自旋轨道矩、斯格明子磁泡动力学等方面发挥更大作用。 目前，这款多场高分辨率磁光克尔成像系统已经获得了清华大学、中国科学院物理研究所、北京工业大学、上海科技大学等客户多套订单。 图6多功能高分辨率磁光克尔显微成像系统 产品基本参数：向和纵向克尔成像分辨率可达300 nm；配置二维磁场探针台，面内磁场高达1 T，垂直磁场高达0.3 T（配置磁场增强模块后可达1.5 T）；快速磁场选件磁场反应速度可达1 μs；可根据需要选配直流/ 高频探针座及探针；可选配二次谐波、铁磁共振等输运测试；配置智能控制和图像处理系统，可同时施加面内磁场、垂直磁场和电学信号同步观测磁畴翻转；4K~800K，80K~500K 变温选件可选。 参考文献 [1] X. Zhang#, W. Cai#, M. Wang#, B. Pan#, K. Cao, M. Guo, T. Zhang, H. Cheng, S. Li, D. Zhu, L. Wang, F. Shi, J. Du, and W. Zhao*, Adv. Sci. 2004645, 2004645 (2021).[2] M. A. Zidan, J. P. Strachan, and W. D. Lu, Nat. Electron. 1, 22 (2018).[3] X. Lin, W. Yang, K. L. Wang, and W. Zhao*, Nat. Electron. 2, 274 (2019).[4] M. Wang, W. Cai, K. Cao, J. Zhou, J. Wrona, S. Peng, H. Yang, J. Wei, W. Kang, Y. Zhang, J. Langer, B. Ocker, A. Fert, and W. Zhao*, Nat. Commun. 9, 671 (2018).[5] M. Wang#, W. Cai#, D. Zhu#, Z. Wang#, J. Kan, Z. Zhao*, K. Cao, Z. Wang, Y. Zhang, T. Zhang, C. Park, J. P. Wang, A. Fert, and W. Zhao*, Nat. Electron. 1, 582 (2018).[6] S. Peng#, D. Zhu#, W. Li, H. Wu, A. J. Grutter, D. A. Gilbert, J. Lu, D. Xiong, W. Cai, P. Shafer, K. L. Wang, and W. Zhao*, Nat. Electron. 3, 757 (2020).[7] X. Zhao#, X. Zhang#, H. Yang#, W. Cai, Y. Zhao, Z. Wang, and W. Zhao*, Nanotechnology 30, 335707 (2019).[8] X. Zhang, W. Cai, X. Zhang, Z. Wang, Z. Li, Y. Zhang, K. Cao, N. Lei, W. Kang, Y. Zhang, H. Yu, Y. Zhou, and W. Zhao*, ACS Appl. Mater. Interfaces 10, 16887 (2018).[9] X. Zhao et al., Appl. Phys. Lett. 115, (2019).[10] S. S. P. Parkin, Phys.Rev.Lett. 67, 3598(1991)

【科学背景】随着半导体在现代社会中的重要性不断增加，人们能够操控电荷的能力使得许多技术成为可能。然而，尽管半导体在电子设备中的广泛应用，控制半导体结构中的自旋（spin）仍然是一个挑战。自旋作为电子的一个额外自由度，其控制对于许多商业产品尤其是磁性存储器至关重要。目前，通过形成铁磁体和普通金属之间的异质结构来实现自旋控制已经取得了一定进展，例如巨磁电阻效应和隧道磁电阻效应。然而，利用半导体，特别是半导体/铁磁体界面的方法在应用上受到限制。手性诱导自旋选择性（CISS）描述了通过定向手性势场的电荷载流子的自旋依赖传输。在这种情况下，自旋方向与手性螺旋度平行，即手性结构决定了自旋取向。CISS在自组装的手性分子层中最为常见，但是它们与常见半导体材料的集成受到限制。为了解决这些问题，国国家可再生能源实验室Matthew C. Beard教授团队探索了一类新兴的卤化钙钛矿半导体家族，即手性卤化钙钛矿（c-HP）。这些半导体通过引入手性有机铵阳离子，例如R/S-MBA，而具有手性。这些有机分子形成高度有序的双层结构，嵌入到共享角位的金属卤化物八面体片层之间。由于这些半导体的手性特性，它们有望在半导体平台上实现自旋控制。本研究展示了如何将手性卤化钙钛矿半导体成功地集成到标准III-V族发光二极管（LED）结构中，从而将其转变为自旋LED。通过直接的c-HP/III-V半导体界面，自旋极化载流子被注入到传统的III-V LED结构中，并通过角动量守恒原理，将自旋积累转换为圆偏光的形式进行检测。这一成果不仅展示了手性卤化钙钛矿半导体在半导体平台上的潜力，还为现代光电子学提供了新的技术路径。【科学亮点】（1）实验首次展示了通过手性卤化钙钛矿（c-HP）/III-V半导体界面实现自旋注入的重要性。这一研究突破了传统半导体/铁磁体界面限制，开辟了在室温下控制自旋的新途径。（2）实验通过几种关键技术手段进行了详尽的表征，包括X射线光电子能谱、扫描凯尔文探针原子力显微镜和透射电子显微镜成像。这些分析表明，c-HP与III-V半导体形成的界面清洁、费米能级能够实现平衡，为自旋控制提供了理想的平台。（3）实验结果显示，c-HP能够有效地注入自旋极化载流子到传统的III-V LED结构中，并且通过自旋极化载流子在III-V中的积累，成功实现了通过圆偏光发射检测自旋积累的目标。这为将现代光电子技术转型为自旋控制平台提供了实质性的证据。【科学图文】图1 | 发光二极管light-emitting diode，LED示意图和界面表征。图2 | (R/S-MBA)2PbI4/(AlxGa1&minus x)0.5In0.5P自旋LED的圆偏振电致发光（CP-EL）发射。图3 | 波段对准和LED操作。【科学启迪】本研究展示了将手性卤化钙钛矿（c-HP）与传统半导体直接接触的可能性，并将其整合到III-V族发光二极管(LED)结构中，实现了从传统LED的光电荷互转控制到控制自旋到光的转变。这一创新不仅在室温下无需外部磁场即实现了自旋控制的功能性半导体结构，还展示了c-HP/III-V界面高效的自旋注入效率。通过详细的材料表征技术（TEM、XPS、KPFM），作者验证了c-HP半导体与III-V半导体之间形成的直接、清洁的半导体/半导体界面，这为载流子的均衡和自旋注入提供了可靠的基础。这一研究开辟了新型自旋注入器的发展路径，能够为各种自旋功能的实现提供支持，例如自旋电子学和自旋逻辑电路。因此，c-HP半导体的成功整合为现代光电子学领域带来了重要的科学启迪，促进了半导体技术的进步，并可能推动新一代自旋驱动光电子器件的商业应用和发展。原文详情：Hautzinger, M.P., Pan, X., Hayden, S.C. et al. Room-temperature spin injection across a chiral perovskite/III–V interface. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07560-4

[报告简介]法国Spin-Ion Technologies公司（中文注册名——旋离科技® ）开发了一种非常有特色的样品处理技术——对已制备的器件进行He+离子辐照，该技术可以在原子尺度上调控并提升磁性薄膜的磁性能。运用轻离子技术，通过低能量转移，可实现原子间替换的控制。其核心是改变微观结构来调控相应的磁学性质。该技术也可以在不需要物理刻蚀的条件下，通过掩模实现磁特性的横向调制。在本次报告中，将会展示一些重要的研究成果，这些成果为利用离子辐射来优化下一代自旋电子器件的性能提供了解决方案，包括控制界面各向异性、磁化、DMI、增强畴壁和斯格明子移动，降低SOT器件的临界电流和降低自旋转矩纳米振荡器（STNO）的线宽。报告将展示新的设备“Helium-S® ” 是如何实施上述的技术方案，这是一台体型小巧且快速的He+离子束工具，它能够在1英寸的晶片上提供1-30 keV的离子能量。[直播入口]您可通过扫描下方二维码，关注QuantumDesign官方视频号，届时观看直播，无需注册！扫描上方二维码，即刻观看直播！[报告时间]2022 年 6月 9 日 15:30—16:30 [主讲人介绍]Dafiné Ravelosona博士，致力于实验凝聚态物理的研究，目前是法国科学研究中心(CNRS)的研发总监，在巴黎萨克雷大学的“法国巴黎纳米科学与技术中心(C2N)”担任副总监并负责管理纳米电子学部门。他在具有垂直各向异性的磁性薄膜和器件中的畴壁动力学和自旋输运方面，以及使用离子辐照的磁性材料加工和自旋电子器件方面拥有超过20年的研究经验。同时，他也是两家初创公司的创始人，包括2017年成立的Spin-Ion Technologies公司（中文注册名——旋离科技® ），他担任CEO-CTO，该公司正在研发一种基于离子束的新型加工工艺，用以提高MRAM材料的结构性能。在这些年间，Dafiné Ravelosona博士共获得了大约10个创新奖项。 Dafiné Ravelosona博士于1995年在巴黎七大学获得博士学位。在2004至2005年间，他受邀成为硅谷的日立环球存储科技公司（HGST）研究中心的科学家。期间，他个展示了用化电流切换垂直纳米磁体这一技术。技术线上论坛：https://qd-china.com/zh/n/2004111065734