近日，美国能源部橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory）的研究人员在纳米尺度（尺寸为十亿分之一米）上，利用单量子比特传感，揭示了一种测量磁性材料高速波动的新方法。该方法将为量子材料的发展带来新变化，从而推进传统计算到新兴量子计算领域的技术发展。该研究成果以发表在《Nano Letters》期刊上。
许多材料都会经历相变，其特征是重要的基本属性随温度呈阶梯式变化。了解物质在临界转变温度附近的状态是开发利用独特物理特性的新材料和技术的关键。在这项研究中，该团队使用纳米级的量子传感器来测量磁性薄膜在相变状态附近的自旋波动。在室温下具有磁性的薄膜对于数据存储、传感器和电子设备至关重要，因为它们的磁性可以被精确地控制和操纵。
该团队在纳米相材料科学中心（ORNL的美国能源部科学办公室用户设施）使用了一种名为扫描氮空位中心显微镜的专用仪器。氮空位中心是金刚石中原子级的缺陷，其中氮原子取代了原来碳原子的位置，且相邻的碳原子缺失，从而形成了量子自旋态的特殊构型。在氮空位中心显微镜中，量子自旋态的缺陷能够对静态和动态磁场做出不同的反应，使研究人员能够在单个自旋态的水平上检测仪器的反馈信号，以确定纳米级结构的形态。
ORNL材料科学与技术部的研究人员Ben Lawrie说：“氮空位中心既充当量子比特（qubit），又是一个高度敏感的传感器，我们在薄膜上方移动它，以测量磁性和自旋波动的温度相关变化，这是任何其他方式都无法测量的。
当受自旋方向控制的材料的磁性不断改变方向而不是保持固定时，就会观察到自旋波动。该团队测量了薄膜在不同磁态之间经历相变时的自旋波动，这种相变是通过改变样品温度诱导的。
这些测量揭示了自旋波动的局部变化是如何在相变附近与全局变化联系在一起的。这种对相互作用自旋态的纳米级理解可能会催生出新的基于自旋的信息处理技术，并对广泛的量子材料类别有更深入的了解。
“自旋电子学的进步将提高数字存储和计算效率。与此同时，如果我们能学会控制自旋与其环境之间的交互，那么基于自旋的量子计算向大家展示的计算机仿真模拟的诱人前景将是以往任何传统计算架构都不可想象的。“Lawrie说。
这种类型的研究集合了ORNL在量子信息和凝聚态物理学方面的能力。Lawrie说：“如果我们能够利用最新的量子资源来获得对材料中经典态和量子态的新理解，这将有助于我们设计出在网络、传感和计算方面有实际应用的新型量子设备。
美国能源部基础能源科学计划资助了这项研究。
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