量子工程师设计新工具，高精度测量材料中的自旋

艺术家对超灵敏旋转检测装置的印象。来源：托尼·梅洛夫

在周末发表在《科学进展》杂志上的一篇论文中，来自新南威尔士大学电气工程与电信学院的副教授Jarryd Pla及其团队与同事Scientia教授Andrea Morello一起描述了一种可以高精度测量材料自旋的新设备。

“电子的自旋 - 无论是向上还是向下 - 都是自然界的基本属性，”A/Prof. Pla说。“它被用于磁盘存储信息，MRI机器使用水分子的自旋来创建我们身体内部的图像，自旋甚至被用来制造量子计算机。

“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，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，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自旋才能获得准确的读数，但A/Prof. Pla和他的同事能够测量数千次电子自旋，这意味着新工具的灵敏度大约是一百万倍。

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，例如微观样品、二维材料和高质量太阳能电池，它们的自旋太少，无法产生可测量的信号。

这一突破几乎是偶然发生的，因为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集合。

“我们注意到，虽然该设备没有像记忆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Wyatt Vine说。“我们发现，通过在自旋发射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放大信号。更重要的是，这种放大可以在几乎没有增加噪声的情况下进行，几乎达到了量子力学设定的极限。

虽然过去已经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，并且必须在非常寒冷的环境中使用昂贵的“稀释冰箱”运行，其温度低至0.01开尔文。

在这个新的开发中，A/Prof. Pla说他和团队设法将这些组件集成到一个芯片上。

“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，并且与相对较大的磁场兼容。这很重要，因为测量它们需要放置在大约0.5特斯拉的磁场中的自旋，这比地球磁场强一万倍。

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

普拉教授说，新南威尔士大学团队已经为这项技术申请了专利，以期有可能商业化，但强调仍有工作要做。

“有可能将这个东西打包并商业化，这将使其他研究人员能够将其插入现有的商业系统中，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，这些工具有效，但可以做得更好。

更多信息：Wyatt Vine 等人，动力学电感参数放大器内自旋回波的原位放大，科学进展 （2023）。DOI： 10.1126/sciadv.adg1593.www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adg1593

期刊信息：科学进展