悬浮纳米金刚石的电子旋转控制可以带来传感器的进步

研究人员已经演示了如何控制纳米金刚石的“电子自旋”，同时它在真空中被激光悬浮，这一进步可以在量子信息处理，传感器和量子力学基础物理学研究中找到应用。

电子可以被认为具有两种不同的自旋状态，“向上”或“向下”。研究人员能够检测和控制电子自旋共振，或者它从一种状态到另一种状态的变化。

普渡大学物理与天文学和电子与计算机工程助理教授李同仓说：“我们已经展示了如何在真空中和不同气体存在下的纳米金刚石中不断地翻转电子自旋。”

调查结果详见于周二(7月19日)在Nature Communications期刊上发表的一篇研究论文。显示电子自旋共振在氦气和氧气存在下不同，这意味着该技术可用于新型传感器以检测和测量气体。氧气传感器广泛用于监测汽车尾气和医疗器械(如麻醉监护仪和呼吸器)中的氧气浓度。基于纳米金刚石的传感器代表了对传统传感器的潜在改进。

“虽然需要更详细的研究来充分了解这一现象，但我们的观察结果显示了氧气传感的潜在应用，”李说。

悬浮纳米金刚石还可用于量子信息处理，探测量子力学中基本物理的实验技术，以及磁场和重力场的测量，这些可用于计算机存储器和实验以寻找偏离牛顿引力定律的偏差。

将纳米金刚石悬浮在真空中可以精确控制和严格测量浮动颗粒。纳米金刚石的直径约为100纳米，或大约是病毒的大小，并含有对于潜在的实际应用至关重要的“氮空位中心”。氮空位中心是通过用氮原子取代碳原子并在晶格中产生相邻空隙而在金刚石晶格中形成的原子级缺陷。研究人员可以利用此功能来控制电子自旋。

一种类型的激光用于“捕获”并将纳米颗粒悬浮在真空室中，另一种用于监测电子自旋。毫米级天线提供微波控制和翻转电子自旋，光谱仪检测旋转的这些变化。需要真空来减少空气分子的干扰。

量子计算机将利用被称为“叠加”和“纠缠”的量子理论所描述的现象。基于量子物理学的计算机可能会显着提高处理，存储和传输信息的能力。

普渡大学研究的一个长期目标是使用该技术来测试着名的薛定谔猫的思想实验，其中猫可能同时死亡和活着。

“我们希望在同一时间将两个纳米金刚石放在两个不同的位置，”李说。

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