香港中文大學(xué)物理系楊森教授與吳瑞權(quán)教授攜手率領(lǐng)研究團(tuán)隊(duì)，利用納米金剛石中的色心（color center）來研究量子材料在極端條件下的性質(zhì)。由于色心對(duì)磁場(chǎng)非常敏感，這使研究人員能夠在低溫（高于絕對(duì)零度7度）和高壓（約數(shù)萬倍大氣壓力）的情況下，獲得超導(dǎo)體的磁場(chǎng)性質(zhì)。這項(xiàng)嶄新的技術(shù)為研究量子材料提供了新的渠道。研究成果已刊登于國(guó)際著名學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志，同期另有兩篇相關(guān)研究由巴黎大學(xué)和加州大學(xué)伯克利分校發(fā)表。

量子材料研究與量子信息科學(xué)的耦合

為推進(jìn)第二次量子革命，加深對(duì)量子材料的認(rèn)識(shí)尤為重要。量子材料通常在極低溫條件下會(huì)展現(xiàn)出一些奇特的性質(zhì)，例如超導(dǎo)現(xiàn)象等。超導(dǎo)體除了電阻為零外，還會(huì)排斥內(nèi)部的磁場(chǎng)，這種現(xiàn)象叫做邁斯納效應(yīng)。這些現(xiàn)象只會(huì)在低溫條件下發(fā)生。如果我們能找到一些材料即使不在低溫下也能展現(xiàn)超導(dǎo)性質(zhì)，將會(huì)帶來革命性的變化。最近，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)LaH10-δ在相對(duì)高溫下（約260K/-13°C），大約是地球冬天的溫度，依然能夠保持超導(dǎo)特性，盡管這個(gè)材料需要被加壓到兩百萬倍的大氣壓力。由此可見，將材料在低溫條件下加高壓能夠改變和調(diào)控電子之間的相互作用，從而使我們能夠探索量子材料的性質(zhì)。但是，要將傳統(tǒng)的電路放在壓力腔內(nèi)用作磁性測(cè)量是一項(xiàng)十分困難的任務(wù)。正因如此，楊森教授與吳瑞權(quán)教授攜手合作，以楊教授在量子測(cè)量和量子光學(xué)領(lǐng)域的專長(zhǎng)，和吳教授在極端物理領(lǐng)域的豐富經(jīng)驗(yàn)，和希望共同解決眼前這個(gè)難題。

色心是一種晶體缺陷，而在金剛石中的色心則能夠成為高效的量子傳感器件，它極有希望在未來眾多的量子科技當(dāng)中占據(jù)重要的一席之地。其中，帶負(fù)電的氮空位色心（NV-）是最有希望的一種色心。這種色心也是金剛石中最常見的一種缺陷，它使得金剛石略微帶有粉色或黃色。這些NV-色心對(duì)電場(chǎng)、磁場(chǎng)、力和溫度非常敏感，在高壓腔下也能精準(zhǔn)地測(cè)量局域磁場(chǎng)。所以，中大的研究人員想利用NV-色心這個(gè)微觀量子傳感器件來研究材料在高壓下的性質(zhì)。材料會(huì)在進(jìn)入超導(dǎo)態(tài)時(shí)具有完全抗磁性從而排斥所有內(nèi)部的磁場(chǎng)。利用這一點(diǎn)，研究人員通過金剛石顆粒（約1微米）和NV-色心的特性，將超導(dǎo)體附近的磁場(chǎng)精確地測(cè)量出來。中大研究組巧妙的利用NV色心的特性，不僅測(cè)出了磁場(chǎng)的大小，更是首次在這種極端環(huán)境測(cè)出了磁場(chǎng)的矢量，更直觀的展現(xiàn)了邁斯納效應(yīng)。

對(duì)社會(huì)的影響 

NV-色心除了能夠測(cè)量磁場(chǎng)外，還能夠測(cè)量電場(chǎng)和力。所以，這項(xiàng)技術(shù)可以用于研究材料的不同性質(zhì)。最終，我們期望這項(xiàng)技術(shù)會(huì)更新量子材料現(xiàn)有的設(shè)計(jì)方案，并且能夠得到社會(huì)各界的廣泛應(yīng)用。這項(xiàng)嶄新的測(cè)量技術(shù)也能夠提升香港計(jì)量學(xué)和高精度測(cè)量界的技術(shù)水平。

關(guān)于研究團(tuán)隊(duì)

楊森教授的團(tuán)隊(duì)主要研究固態(tài)體系中的量子信息科學(xué)，包括量子計(jì)算、量子通訊和量子測(cè)量。其團(tuán)隊(duì)利用NV-色心的特性在不同場(chǎng)景下展開應(yīng)用，包括快速操縱并精確測(cè)量自旋態(tài)，制作光學(xué)量子寄存器用作量子信息處理，建立光量子網(wǎng)絡(luò)和測(cè)量強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的超導(dǎo)性質(zhì)和磁學(xué)性質(zhì)。

吳瑞權(quán)教授的團(tuán)隊(duì)主要研究極端條件下強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系的性質(zhì)，例如在高壓，強(qiáng)場(chǎng)和低溫等環(huán)境下來研究強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子體系（SCES）的組成、磁學(xué)性質(zhì)和電子傳導(dǎo)機(jī)制。其實(shí)驗(yàn)室擁有先進(jìn)的液氦稀釋制冷機(jī)和產(chǎn)生強(qiáng)磁場(chǎng)的裝置，能夠?qū)悠方禍刂翈譵K并且對(duì)其施加最大達(dá)到14T的磁場(chǎng)。這使得團(tuán)隊(duì)成員能夠測(cè)量單晶材料的量子振蕩現(xiàn)象和費(fèi)米面形態(tài)。

這次研究使用的高品質(zhì)單晶樣品BaFe2(As,P)2是由京都大學(xué)和東京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)所提供。

香港中文大學(xué)和大學(xué)教育資助委員會(huì)資助本研究香港的部分。

三篇文章鏈接如下：

CUHK: doi:10.1126/science.aaw4278

Paris: doi:10.1126/science.aaw4329

Berkeley: doi:10.1126/science.aaw4352

鉆石除了裝飾，現(xiàn)在已經(jīng)開始成為科研的新的利器

中大團(tuán)隊(duì)成員：（從左到右）楊森，葉景佑，何健安，余經(jīng)燿，陳旸，張威，吳瑞權(quán)

實(shí)驗(yàn)示意圖，邁斯納效應(yīng)示意圖，以及測(cè)量的樣品附近不同位置的磁場(chǎng)矢量隨著溫度的變化圖。