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金剛石NV色心這一固態(tài)單自旋體系具有易于初始化和讀出、可操控、具有較長相干時(shí)間等優(yōu)點(diǎn)，在量子精密測量、量子計(jì)算等領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用前景。近年來，國儀量子基于金剛石NV色心體系開發(fā)了掃描NV探針顯微鏡、寬場NV顯微鏡以及量子鉆石單自旋譜儀等多款量子精密測量設(shè)備，幫助用戶在多個(gè)領(lǐng)域取得了重要的科研突破。

01曲阜師范大學(xué)：高溫高壓調(diào)控下金剛石中單NV-色心實(shí)現(xiàn)超長相干時(shí)間的突破

近期，曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院劉曉兵教授團(tuán)隊(duì)，在高溫高壓條件下采用溫度梯度法成功制備了大尺寸高質(zhì)量的Type-IIa金剛石單晶，并深入研究了金剛石生長及高溫高壓退火過程中單NV-色心的形成機(jī)制及其相干性質(zhì)，相關(guān)成果以“Achieving Ultralong Spin Coherent Time of Single Nitrogen Vacancy Centers in Diamond”發(fā)表在Chinese Physics Letters上。

研究表明，NV-色心在金剛石結(jié)晶過程中優(yōu)先在<111>晶向生長區(qū)域的邊界位置形成。在高溫高壓條件下，氮原子和空位的擴(kuò)散顯著增強(qiáng)，使得原本無色心的區(qū)域在退火過程中有效生成均勻彌散分布的單NV-色心。利用NV-色心作為探針，該團(tuán)隊(duì)探討了高溫高壓退火對(duì)其相干性質(zhì)的影響。結(jié)果顯示，高溫高壓退火能夠有效調(diào)控金剛石生長過程中晶格畸變引起的外場效應(yīng)，從而顯著提升色心的相干性質(zhì)，最長相干時(shí)間達(dá)到720 μs，創(chuàng)下13C天然豐度金剛石中NV-色心相干性質(zhì)的最高水平。該研究通過高溫高壓技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高相干單NV-色心的可控制備，為量子信息技術(shù)的發(fā)展提供了重要基礎(chǔ)。

圖1：高溫高壓法合成的大尺寸Type-IIa金剛石單晶。

文中使用國儀量子的量子鉆石單自旋譜儀對(duì)不同條件下生長金剛石NV色心及其相關(guān)特性進(jìn)行表征。

圖2：通過高溫高壓退火處理生成<111>單NV?色心。 (a) 1300℃退火前的共聚焦圖像;(b) 1300℃退火后的共聚焦圖像；(c) 1500℃處理后的成像：單NV?色心開始出現(xiàn)；(d) 1600℃處理后的成像：單NV?色心密度顯著增大

圖3：高溫高壓（HPHT）金剛石中單NV?色心的自旋相干性(a) (b) 對(duì)比HPHT金剛石與CVD金剛石中單NV-色心的退相干時(shí)間T2*與相干時(shí)間T2。(c) 與(d) 相干時(shí)間達(dá)到720 μs的單色心FID及Spin Echo信號(hào)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本研究分析了高溫高壓條件下金剛石中NV-色心的形成機(jī)制，并在Type-IIa高溫高壓金剛石中實(shí)現(xiàn)了高相干單NV-色心的可控制備，為其在量子技術(shù)中的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此外，該研究揭示了金剛石中晶格畸變場對(duì)NV-色心相干性質(zhì)的影響，為未來進(jìn)一步提升其相干性提供了重要指導(dǎo)，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的視角與思路。

02 南京理工大學(xué)：使用ODMR譜儀通過磁熒光量子比特成像和即時(shí)人工智能增強(qiáng)進(jìn)行單蛋白測定

傳統(tǒng)的POCT存在靈敏度局限，漏檢或假陽性風(fēng)險(xiǎn)較高，限制了其在常規(guī)門診分析和早期臨床診斷中的應(yīng)用。南京理工大學(xué)鄧盛元團(tuán)隊(duì)利用前沿量子精密計(jì)量學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，在核殼熒光納米金剛石FND@SiO2上進(jìn)行磁熒光量子位標(biāo)記與調(diào)諧，開發(fā)了一種微型量子傳感器。相關(guān)成果以“Single-Protein Determinations by Magnetofuorescent Qubit Imaging with Artifcial-Intelligence Augmentation at the Point-Of-Care”發(fā)表在ACS Nano期刊。

研究綜合表征證實(shí)了FND生物標(biāo)簽的成功構(gòu)建，而光譜學(xué)分析確保表面修飾后自旋態(tài)躍遷特性未發(fā)生退化。研究人員以病毒核衣殼蛋白為模型標(biāo)記物，通過鎖相分析獲得了超低檢測限（LOD），性能超越傳統(tǒng)比色法及免疫熒光法2000倍以上。此外，進(jìn)一步采用Unet-ConvLSTM-Attention架構(gòu)的人工智能（AI）增強(qiáng)技術(shù)，通過原始量子隊(duì)列的像素級(jí)掃描精準(zhǔn)識(shí)別真實(shí)量子點(diǎn)。此處理不僅顯著提升探測精度，更實(shí)現(xiàn)了人唾液中單蛋白水平的確定性檢測，其終極LOD較膠體金法低7800倍，達(dá)到RT-qPCR閾值，并媲美金標(biāo)準(zhǔn)SIMOA的認(rèn)證臨界值。

文中使用了國儀量子的量子鉆石單自旋譜儀對(duì)FND進(jìn)行探測，測到了納米金剛石NV色心激發(fā)態(tài)的光探測磁共振譜，對(duì)激發(fā)態(tài)NV性質(zhì)進(jìn)行了研究。并測試了FND在外部磁場 B = 0, 1, 2, 3, 4, 10 mT 作用下的連續(xù)波譜。

因此，通過AI輔助光學(xué)量子位數(shù)字化，此符合REASSURED標(biāo)準(zhǔn)（實(shí)時(shí)、易用、低價(jià)、高敏、無樣本限制、用戶友好、快速、免設(shè)備、可送檢）的裝置有望成為兼具超凡靈敏度、速度與成本效益的新一代POCT解決方案，為新興量子計(jì)量學(xué)在生物傳感領(lǐng)域的卓越性能提供了決定性實(shí)證。

03 海洋二所：使用量子鉆石顯微鏡（QDM）探討了普遍存在的氧化風(fēng)化作用是否會(huì)影響SMS礦床的磁性特征

海底塊狀硫化物（SMS）礦床在不同地質(zhì)背景下可具有多變的磁性礦物組成，但其時(shí)空差異性的機(jī)制和意義尚不甚明了。海洋二所陶春輝團(tuán)隊(duì)基于西南印度洋玉皇熱液區(qū)的海底淺鉆和表層取樣，探討了普遍存在的氧化風(fēng)化作用是否會(huì)影響SMS礦床的磁性特征。以”Redox sensitive mineral magnetic signatures of seafloor massive sulfide deposits“發(fā)表在Journal of Geophysical Research: Solid Earth期刊。

顯微觀察和二價(jià)鐵濃度分析表明，海底SMS礦床普遍遭受了強(qiáng)烈氧化；而海底以下的SMS礦床相對(duì)新鮮，但在樣品采集后氧化作用即刻開始。新鮮樣品觀測到磁化率呈現(xiàn)負(fù)頻率依賴性（可能源于測量中的渦電流效應(yīng)），但氧化樣品中未見此現(xiàn)象，這表明氧化風(fēng)化作用降低了SMS礦床在地球物理探測中的電磁可探測性。磁黃鐵礦（以及可能的其他磁性硫化鐵礦物）、磁鐵礦和赤鐵礦被確認(rèn)為SMS礦床中主要的磁性礦物（廣義鐵磁性礦物）。

文章中應(yīng)用了薄片磁學(xué)成像技術(shù)輔助定位磁性礦物，該技術(shù)使用由國儀量子設(shè)計(jì)的量子鉆石顯微鏡（QDM）。

電子顯微鏡和量子鉆石顯微鏡（QDM）觀察揭示，磁黃鐵礦礦化源于高溫還原性熱液流體，而鐵氧化物則主要是原生硫化物的氧化產(chǎn)物。氧化風(fēng)化作用會(huì)改造SMS礦床的古地磁記錄。整體磁性參數(shù)隨氧化程度增強(qiáng)而呈現(xiàn)系統(tǒng)性變化。溫度依賴性磁學(xué)測量是區(qū)分SMS礦床氧化狀態(tài)的有效工具?？傊@些發(fā)現(xiàn)解釋了SMS礦床中磁性礦物的變異性，將礦物磁學(xué)特性與海底地球物理勘探聯(lián)系起來。礦物磁學(xué)亦可作為一種氧化還原狀態(tài)的指標(biāo)，用于追蹤海底熱液區(qū)自然和人為環(huán)境波動(dòng)，為理解動(dòng)態(tài)地球系統(tǒng)中的相互作用激發(fā)新穎的跨學(xué)科研究。

國儀量子量子鉆石系列產(chǎn)品

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