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在比光波長更小的空間里，電流與磁場的行為常常超出直覺難以直接觀測。據(jù)最新一期《自然》雜志報(bào)道，美國普林斯頓大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)基于工程化鉆石缺陷打造出新型鉆石量子傳感器，其磁場探測靈敏度較現(xiàn)有技術(shù)提升約40倍，可揭示凝聚態(tài)材料中此前“不可見”的隱秘磁波動，為研究石墨烯、超導(dǎo)體等量子材料打開新窗口。

該方法基于實(shí)驗(yàn)室培育的超高純度鉆石。這些鉆石比天然鉆石純凈得多，植入的缺陷極其微小，數(shù)十億個原子組成的晶格中僅缺失一個原子。由于這些缺陷會與磁場強(qiáng)烈相互作用，并且可以被精確設(shè)計(jì)，它們便成為極佳的磁場傳感器。

團(tuán)隊(duì)在鉆石表面植入兩個相距僅約10納米的氮空位中心，使它們在量子力學(xué)層面發(fā)生相互作用并形成糾纏。糾纏狀態(tài)下，兩個缺陷如同“協(xié)同工作”的雙探針，可從噪聲背景中提取高度相關(guān)的磁信號，從而顯著提升靈敏度。此前類似研究多依賴原子陣列等理想體系，但新技術(shù)能夠直接在真實(shí)材料中探測磁現(xiàn)象。

氮空位中心的植入過程頗具技術(shù)挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)以超過每秒3萬英尺的速度用氮分子轟擊鉆石，使分子解離成兩個氮原子，并在可控能量下穿透至鉆石表面下約20納米處。如此精確的深度與間距使氮原子電子自發(fā)產(chǎn)生量子糾纏，成為實(shí)現(xiàn)高靈敏度探測的關(guān)鍵。

這一突破使研究人員首次在原子尺度至可見光波長之間的關(guān)鍵區(qū)間，直接觀測此前難以獲取的磁噪聲與電子行為，包括電子在材料中傳播與散射的過程，以及超導(dǎo)材料在特殊條件下出現(xiàn)的磁通渦旋演化。

團(tuán)隊(duì)表示，新型量子傳感器未來有望用于研究非常規(guī)超導(dǎo)、拓?fù)淞孔討B(tài)等前沿課題，并為下一代量子材料設(shè)計(jì)提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。