量子工程师设计新工具以高精度测量材料中的自旋

在周末发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，副教授JarrydPla和他来自新南威尔士大学电气工程和电信学院的团队，以及同事Scientia教授AndreaMorello，描述了一种新设备，可以测量高密度材料的自旋精确。

“电子的自旋——无论它向上还是向下——都是自然界的一个基本属性，”副教授说。解放军。“它用于磁性硬盘来存储信息，MRI机器使用水分子的自旋来创建我们身体内部的图像，自旋甚至被用于构建量子计算机。

“因此，能够检测材料内部的自旋对于整个应用范围都很重要，特别是在化学和生物学中，它可以用来了解材料的结构和用途，从而使我们能够设计出更好的化学品、药物等。“

在化学、生物学、物理学和医学等研究领域中，用于测量自旋的工具称为自旋共振光谱仪。通常，商业生产的光谱仪需要数十亿到数万亿次旋转才能获得准确读数，但A/Prof.Pla和他的同事能够测量数以千计的电子自旋，这意味着新工具的灵敏度大约高出一百万倍。

这是一项了不起的壮举，因为有一系列系统无法用商业工具测量，例如显微样品、二维材料和高质量太阳能电池，它们的自旋太少而无法产生可测量的信号。

这一突破几乎是偶然发生的，当时该团队正在为超导量子计算机开发量子存储元件。存储元件的目的是将量子信息从超导电路传输到放置在电路下方的自旋系综。

“我们注意到，虽然该设备并没有像存储元件那样按计划工作，但它在测量自旋系综方面非常出色，”该研究的主要作者怀亚特·瓦恩(WyattVine)说。“我们发现，通过在自旋发出信号时将微波功率发送到设备中，我们可以在信号离开设备之前对其进行放大。而且，这种放大可以在几乎没有增加噪声的情况下进行，几乎达到了量子设定的极限机械师。”

虽然过去开发了其他使用超导电路的高灵敏度光谱仪，但它们需要多个组件，与磁场不兼容，并且必须使用昂贵的“稀释冰箱”在非常寒冷的环境中运行，其温度可低至0.01开尔文。

在这个新的发展中，A/教授。Pla说他和团队设法将这些组件集成在一个芯片上。

“我们的新技术将光谱仪的几个重要部分集成到一个设备中，并与相对较大的磁场兼容。这很重要，因为测量自旋需要将它们放置在大约0.5特斯拉的磁场中，这是强磁场的一万倍比地球磁场。

“此外，我们的设备运行温度比之前的演示高出10倍以上，这意味着我们不需要使用稀释冰箱。”

一个/教授。Pla表示，新南威尔士大学团队已为该技术申请了专利，以期实现商业化，但强调仍有工作要做。

“有可能将这个东西打包并商业化，这将允许其他研究人员将它插入他们现有的商业系统中，从而提高灵敏度。

“如果这项新技术得到适当的开发，它可以帮助化学家、生物学家和医学研究人员，他们目前依赖这些大型科技公司制造的工具，这些工具可以工作，但可以做得更好几个数量级。”