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电子自旋控制:悬浮纳米金刚石是基础研究的瑰宝

导读: 研究人员展示了当电子和激光悬浮在真空管中,如何控制纳米金刚石的“电子自旋”,这将会有助于发现在量子信息处理、传感器等方面的应用,且有助于对量子力学的物理基础研究。

  OFweek激光网讯:研究人员展示了当电子和激光悬浮在真空管中,如何控制纳米金刚石的“电子自旋”,这将会有助于发现在量子信息处理、传感器等方面的应用,且有助于对量子力学的物理基础研究。

  电子可以被认为有两个不同的自旋态,“向上”或“向下”,研究人员能够检测和控制电子自旋共振,或者实现其从一个状态到另一个状态的变化。

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  “我们已经展示了在真空中或者在有不同气体存在下轻浮的纳米金刚石,如何让其自旋电子不断的翻转,”李统藏说,他是在普渡大学物理与天文学,电气和计算机工程系的一名助理教授。

  研究结果发表在近期的《自然通信》杂志上,发表的这一篇研究论文中有对研究的详细描述。电子的自旋共振在氦和氧的气体的存在下有着不同的表现,这意味着该技术可以被用于在一个新的类型的传感器,用来检测和测量气体。氧气传感器被广泛用于监测汽车尾气和医疗器械中,如麻醉监测和呼吸机氧浓度。纳米传感器相比传统的传感器具有一个潜在的改进。

  “虽然需要更详细的研究,以充分了解这一现象,但我们的观察表明,对于氧气的传感来说这将会是一个潜在的应用,”李说。

  本文作者是博士后研究员Thai Hoang;博士研究生Jonghoon Ahn和Jaehoon Bang,以及李统藏。

  悬浮纳米钻石发现也可以用在量子信息处理过程中,实验技术用于探讨量子力学的基本物理原理,以及对磁场和重力场的测量,可以应用于计算机的内存,并利用试验方法搜索牛顿万有引力定律的偏差。

  纳米金刚石悬浮在真空中可以被精确的控制和并可对漂浮颗粒进行严格的测量。纳米金刚石的直径约100纳米,大约是一个病毒的大小,并包含“氮空位中心”,这是潜在的实际应用的关键。氮空位中心是在钻石晶格中的一个原子尺度的缺陷,氮原子取代的碳原子,并创造一个相邻的晶格中的空隙。研究人员可以利用这个功能来控制电子自旋。

  一种类型的激光被用来“捕获”并在真空室中悬浮微粒,另一个激光用来监测电子自旋。一个毫米级的天线提供微波来控制和翻转的电子自旋,并用光谱仪检测这些自旋的变化。需要一个真空环境以减少空气分子的干扰。

  量子计算机利用到被称为“叠加”和“纠缠”的量子理论所描述的现象,基于量子物理的计算机可能会极大地增加对信息的处理、存储和传输的能力。普度大学研究的长期目标之一是利用该技术测试著名的薛定谔的猫思想实验,其中一只猫可能是死的和活的同时存在的情况。

  “我们想把一个单一的纳米金刚石同时放在两个不同的位置上,”李说。

  该研究得到了国家科学基金会的资助。

责任编辑:chenlinna
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