金膜上二維材料中的自旋量子位。當將六方氮化硼的自旋缺陷放置在金膜微波帶狀線上時，其光學檢測的磁共振和同時等離子體增強光子發射，顯示出創紀錄的高對比度。圖片來源：李彤倉（音譯）
通過將量子力學應用于設計和工程，量子傳感正在被用來超越現代傳感過程。這將有助于在研究磁性材料或生物樣本等過程中突破目前的極限。簡言之，量子是傳感技術的下一個前沿。
2019年，科學家在二維材料（六方氮化硼）中發現了被稱為量子位的自旋缺陷，這可以放大超薄量子傳感的場。不過，科學家也遇到了一些障礙，如其靈敏度受限于低亮度和磁共振信號低對比度，解決這些挑戰引發了一場科學競賽。
今年8月9日，《自然—物理學》發表了一篇題為《量子傳感器走平》的文章，強調了這種新的、令人興奮的、通過量子位元在二維材料中傳感的方法的好處，并概述了目前的不足。
針對相關挑戰，美國普渡大學的一組研究人員克服了量子位信號的缺點，開發了二維材料的超薄量子傳感器。在9月2日發表于《納米快報》的一項研究中，他們通過實驗解決了一些關鍵問題，取得了更好的結果。
他們的做法究竟有何不同？論文通訊作者、該校物理學與天文學、電子與計算機工程副教授李彤倉解釋說，黃金薄膜在這一突破中發揮了關鍵作用。
“我們使用了一層金色薄膜，將自旋量子位元的亮度提高了17倍。”他說，“金膜支持表面等離子體，可以加速光子發射，這樣我們就可以收集更多的光子，從而獲得更多的信號。此外，我們通過優化微波波導的設計，將其磁共振信號的對比度提高了10倍。因此，大大提高了這些自旋缺陷檢測磁場、局部溫度和局部壓力的靈敏度。”
李彤倉（音譯）和團隊用二維材料開發了超薄量子傳感器。圖片來源：普渡大學
“普渡大學的合作氛圍對我們迅速得出這些結果至關重要。”李彤倉介紹，這項是該校多個院系之間合作的結果。
在這個實驗中，研究小組將綠色激光和微波應用到二維材料中的自旋量子位元上。在綠色激光的照射下，這種材料會發出不同顏色的光子（紅外和近紅外）。光子發射的速率取決于磁場、溫度和壓力。這些自旋量子位的亮度會隨著磁場、溫度或壓力的變化而變化。因此，他們能夠以高靈敏度精確測量磁場。
未來，該小組計劃使用這些自旋量子位元來研究新型材料。他們還希望進一步改善信號，使二維材料中的單個自旋量子位能夠以前所未有的靈敏度和分辨率用于量子傳感。(馮維維)
相關論文信息：
https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.1c02495
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