纳米尺度工程与介观自旋纹理的动态稳定：解锁量子模拟与纳米成像新可能

时间：2025年3月29日

来源：SCIENCE ADVANCES

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在量子系统研究中，热弛豫常被视为阻碍。为解决此问题，研究人员开展了 “Nanoscale engineering and dynamic stabilization of mesoscopic spin textures” 的研究。他们利用热弛豫生成、控制和读出 “壳状” 自旋纹理，实现长时间稳定。该成果为量子模拟和纳米成像应用奠定基础。

在微观的量子世界里，科学家们一直致力于探索量子系统的奥秘，其中量子系统如何趋向平衡态是一个关键问题。传统观念中，热弛豫（thermalization）就像一个调皮的 “捣蛋鬼”，它会随着时间增加系统的熵，抹去系统过往的 “记忆”，让存储在量子系统中的信息逐渐消失。而且，这种信息的丢失往往是不可逆的，这使得人们在利用量子系统时困难重重。比如，在量子计算中，信息的丢失可能导致计算结果出现偏差；在量子通信里，它又会干扰信号的传输。所以，长期以来，科研人员都在努力想办法减缓甚至阻止热弛豫过程，他们尝试将量子系统与外界物理隔离，或者通过量子控制技术来干预，还会把系统冷却到接近绝对零度的极低温度，试图驯服这个 “捣蛋鬼”。

然而，在这个看似棘手的问题面前，有一群研究人员另辟蹊径。他们来自未知研究机构，开展了一项名为 “Nanoscale engineering and dynamic stabilization of mesoscopic spin textures” 的研究。这项研究就像是一场奇妙的 “量子魔法秀”，最终得出了令人惊喜的结论：热弛豫并非只有破坏作用，它也能成为制备特殊量子态的得力助手。研究人员通过巧妙的设计，利用热弛豫在含有相互作用的 13C 核自旋的金刚石系统中，成功地生成、控制和读出了 “壳状” 自旋纹理（spin textures），这种纹理跨越数纳米，包含数百个自旋。而且，他们还找到了让这些自旋纹理长时间稳定存在的方法，就像是给这些微观的 “小精灵” 找到了一个安稳的家。这一研究成果意义非凡，它为量子模拟（quantum simulation）和纳米成像（nanoscale imaging）等领域开辟了新的道路，让人们看到了量子技术未来发展的更多可能性。该研究成果发表在《SCIENCE ADVANCES》上。

研究人员在这项研究中主要运用了以下关键技术方法：

实验样本与装置：使用含有 13C 自旋（自然丰度 1.1%）和 NV−（氮空位，nitrogen vacancy）中心（浓度约 1 ppm）的单晶金刚石样本。针对不同实验，采用不同的实验装置，如室温下的装置用于状态工程实验，而低温下的装置则用于哈密顿工程实验，该装置具备低温场循环能力，可实现光学动态核极化（DNP，dynamic nuclear polarization）实验。
数据采集与处理：采集 13C 拉莫尔进动信号，进行数字化处理，通过快速傅里叶变换（FFT，Fast Fourier Transform ）提取信号幅度和相位，进而得到自旋在旋转坐标系中的相位，这些数据构成了研究的重要基础。
数值模拟：运用局部信息时间演化（LITE，Local-information Time Evolution）算法进行量子模拟，同时进行经典模拟分析系统动力学，通过模拟来深入理解实验现象背后的物理机制。

下面来详细看看研究结果：

自旋纹理通过超极化注入形成（Spin texturing via hyperpolarization injection）：研究人员通过交替注入正负极化，成功创建了 “壳状” 自旋纹理。在这个过程中，靠近 NV 中心的 13C 核被负极化，而较远的核则被正极化。他们发现，改变注入时间可以调节自旋纹理的大小。然而，这种通过状态工程制备的自旋纹理并不稳定，由于核自旋扩散（spin diffusion）的存在，其域边界会逐渐 “融化”。例如，当引入等待时间（t_wait）时，自旋扩散会使极化分布变得均匀，导致信号幅度减小，零交叉点（t_zc）向右移动。
通过哈密顿工程实现稳健的自旋壳（Robust spin shells by Hamiltonian engineering）：为了解决自旋纹理稳定性的问题，研究人员采用了哈密顿工程方法。他们发现，当使用特定的脉冲序列（θ ≈ π）驱动时，自旋系统会出现意想不到的现象：信号会经历尖锐的零交叉并发生符号反转，且这种现象能持续很长时间。这是因为在纳米级电子场梯度和 π 脉冲序列的共同作用下，自旋动力学由有效平均哈密顿量（H_eff）主导。这个有效哈密顿量内部编码了空间结构，使得自旋能够热化到准平衡态，形成稳定的自旋纹理。而且，通过调整脉冲的翻转角度 θ 等参数，研究人员可以精确控制自旋纹理的大小和形状。
数值结果（Numerical results）：通过量子模拟和经典模拟，研究人员进一步验证了实验结果。在量子模拟中，运用 LITE 算法对简化的 1D 模型进行模拟，结果显示状态工程制备的自旋纹理会出现域壁融化的现象，而哈密顿工程制备的自旋纹理则能形成稳定的极化梯度。经典模拟则基于 3D 长程模型，同样表明系统能热化到 3D 自旋纹理，且其具有理论预测的 NV 梯度场的角度依赖性，自旋纹理的临界半径（r_c）能跨越数纳米。

研究结论和讨论部分进一步强调了这项研究的重要意义。该研究首次实现了通过全局自旋控制和读出，完成自旋纹理的创建、稳定和观察。与以往实验不同，它不受扩散屏障限制，能研究大量核自旋。实验中采用的连续旋转框架询问方法，可快速采样并观察到极长时间尺度的极化动力学。这种动态稳定协议打破了传统的平衡态观念，通过能量准守恒抑制了极化扩散，稳定了自旋纹理。此外，该研究成果在多个领域都有潜在应用。在量子模拟中，可诱导按需的磁畴壁状态，用于研究自旋动力学；还能稳定和研究负温度下的自旋纹理。在实际应用方面，它有望应用于量子记忆、固态低温系统、自旋电子学以及纳米级化学成像等领域，为这些领域的发展带来新的思路和方法。总之，这项研究为人们理解和操控量子系统提供了新的视角和方法，为未来量子技术的发展奠定了坚实基础。