单量子比特传感为量子材料的发现带来了新的自旋

由能源部橡树岭国家实验室领导的一个科学家团队在纳米尺度上工作，揭示了一种测量磁性材料高速波动的新方法。通过这些新测量获得的知识发表在《纳米快报》上，可用于推进从传统计算到新兴量子计算领域的技术

许多材料经历相变，其特征是重要基本性质的温度依赖性逐步变化。了解材料在临界转变温度附近的行为是开发利用独特物理性能的新技术的关键

在这项研究中，该团队使用纳米级量子传感器来测量磁性薄膜相变附近的自旋波动。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控制和操纵

该团队在ORNL的DOE科学办公室用户设施纳米相材料科学中心使用了一种名为扫描氮空位中心显微镜的专用仪器。氮空位中心是钻石中的一种原子级缺陷，其中氮原子取代了碳原子，而相邻的碳原子缺失，从而形成了一种特殊的量子自旋态结构。在氮空位中心显微镜中，这种缺陷会对静态和波动的磁场产生反应，使科学家能够在单个自旋水平上检测信号，以检查纳米级结构

ORNL材料科学与技术部的研究科学家Ben Lawrie说：“氮空位中心既充当量子比特，又充当我们在薄膜顶部移动的高灵敏度传感器，以测量磁性和自旋波动的温度依赖性变化，而这些变化是无法以其他方式测量的。”

当受自旋取向控制的材料的磁性能不断改变方向而不是保持不变时，就会观察到自旋波动。该团队测量了薄膜在不同磁性状态之间发生相变时的自旋波动，这是由改变样品温度引起的

这些测量揭示了自旋波动的局部变化是如何在相变附近全局联系在一起的。这种对相互作用自旋的纳米级理解可能会带来新的基于自旋的信息处理技术，并对各种量子材料有更深入的了解

Lawrie说：“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相互作用，基于自旋的量子计算将提供经典不可访问的模拟的诱人前景。”

这类研究连接了ORNL在量子信息和凝聚态物理学方面的能力。Lawrie说：“如果我们能够利用今天这一代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、传感和计算中具有应用的新型量子器件。” More information: Yueh-Chun Wu et al, Nanoscale Magnetic Ordering Dynamics in a High Curie Temperature Ferromagnet, Nano Letters (2025). DOI: 10.1021/acs.nanolett.4c05401

Journal information: Nano Letters