揭示钻石量子传感器表面噪声的微观秘密，助力科技进步

由芝加哥大学和阿贡国家实验室的研究人员主导的一项新的理论研究确定了钻石表面影响氮空位（NV）中心量子相干性的微观机制——这些缺陷是当今一些最敏感的量子传感器的基础。 该研究已发表在物理评论材料期刊上，并被选为编辑推荐论文。

“一个长期以来的挑战就是理解为什么浅层NV中心会这么快失去相干性，”芝加哥大学普利兹克分子工程学院（UChicago PME）教授、阿贡国家实验室高级科学家朱莉亚·加利（Giulia Galli）说。“通过将第一性原理表面模型与量子动力学模拟相结合，我们理解到，去相干的罪魁祸首不仅仅是钻石表面上存在哪些自旋，而是它们的运动方式：表面噪声是动态的。”

该研究的发现为设计有助于保持量子相干性的钻石表面提供了明确的物理指导，这是量子传感和新兴量子信息技术的关键所在。

NV中心是钻石中的原子级缺陷，其量子自旋状态可以在室温下通过光学方式初始化、控制和读取。当NV中心靠近钻石表面的时候，可以检测来自分子、材料和生物系统的极其微弱的磁场和电场信号。然而，这种接近也使它们暴露于与表面相关的噪声，例如波动的顺磁缺陷和电荷或电场噪声，这会迅速降低它们的量子相干性，进而限制传感器的性能。

芝加哥大学PME博士候选人、该研究的主要作者乔纳·纳古拉（Jonah Nagura）表示：“在文献中，表面噪声的来源常常被称为‘X自旋’或‘暗自旋’，因为噪声的精确微观性质尚不清楚，可能源于光学上不活跃的缺陷。我们的研究有助于准确定位表面上什么是噪声，并为消除噪声铺平道路，以便能够开发出更先进、更强大的量子传感器。”

在这项工作中，研究人员结合了基于密度泛函理论的钻石表面原子级模型与先进的量子去相干模拟，以识别和隔离主要的表面噪声来源。

“在用于传感应用的钻石表面制造过程中，可能会产生不希望出现的表面缺陷，包括我们所称的悬挂键合，”Nagura说。“这些缺陷中有些可以容纳未配对的电子，具有随时间变化的顺磁自旋，并产生扰动NV中心的磁性噪声。这种噪声会降低NV的相干性，还可能掩盖我们想要测量的微弱目标信号。”

研究表明，表面的化学终止类型对NV相干性有深远的影响。Nagura的计算显示，氧和氮终止的表面在很大程度上保持了接近体材料的相干性，即使是对于仅在表面下几纳米的NV中心。相比之下，氢和氟终止的表面则引入了更强的表面相关磁噪声，这会大大缩短相干时间。

“不过，虽然终止化学和面取向确实很重要，但我们发现，表面电子弛豫和跃迁是主导浅层NV相干性的因素，”Nagura说。

“表面存在的电子自旋与用于操控和读取 NV 中心的激光光束相互作用。激光光束可以驱动表面电荷状态的变化，导致未配对的电子在不同的原子位点之间跳跃。这种运动会产生额外的时变磁场，从而引发更多的噪声。”

这项研究通过识别主要的微观噪声通道，为改善基于 NV 的量子设备提供了清晰的路线图，直接影响量子传感和信息处理。

“一旦我们考虑到表面上的电子运动，理论和实验最终能够一致，”长浦教授说。

更多信息： Jonah Nagura 等人，理解钻石中 NV 中心的表面诱导去相干现象，物理评论材料（2026）。 文献 DOI: 10.1103/5rjw-ygrn。 在 arXiv 上发布：DOI: 10.48550/arxiv.2512.10726