我國科學家攻克納米尺度單自旋探測難題
2025年11月27日，中國科學技術大學自旋磁共振實驗室王亞教授團隊與浙江大學海洋精準感知技術全國重點實驗室攜手攻關，在納米尺度量子精密測量領域取得里程碑式突破——首次成功實現噪聲環境下糾纏增強的納米尺度單自旋探測。這一重大研究成果已在線發表于國際頂級學術期刊《自然》，為量子科技在微觀領域的應用開辟了全新路徑。電子自旋作為微觀世界的基本屬性，如同無數微小磁針，其排列與相互作用決定了材料的宏觀特性，如磁鐵磁性、超導體零電阻等。對單個自旋這一物質最基礎磁性單元的精準探測，不僅是破解物質特性本質的關鍵，更是推動單分子磁探測技術與量子科技發展的核心基礎。然而，物質中大量自旋的存在讓單自旋探測如同在喧鬧體育場中捕捉單個聲音，背景噪聲的干擾成為長期困擾科研界的技術瓶頸。
金剛石氮-空位色心量子傳感器憑借納米級分辨能力和高靈敏磁探測性能，一直是單自旋探測的核心技術選擇。此前，合作研究團隊已通過長期積累，發展出高精度自旋量子調控技術，并成功利用頻譜差異識別帶有特殊"標記"的單自旋。但在復雜噪聲環境中穩定捕捉任意單個自旋的微弱信號，始終面臨著探測靈敏度與空間分辨率的雙重挑戰。
在材料制備層面，團隊運用自主研發的超純金剛石生長技術與納米精度定點摻雜技術，成功制備出間距僅5納米的氮-空位色心對結構，為量子糾纏增強探測奠定了精準的空間基礎。探測方法上，研究人員創造性地將一對色心構建為特殊量子糾纏態，使其能夠"過濾"遠端相同背景噪聲，同時協同聚焦并放大近端目標單自旋的獨特信號，巧妙化解了信號放大與噪聲干擾的矛盾，使空間分辨率提升1.6倍。
此次技術突破達成三大核心進展：一是成功區分并探測到相鄰的兩個"暗"電子自旋；二是在嘈雜環境中將探測靈敏度提升至單傳感器水平的3.4倍；三是實現對不穩定自旋信號的實時監測與主動調控。這一成果不僅實證了量子糾纏在納米尺度傳感中的巨大潛力，更讓金剛石量子傳感器成為原子層面研究量子材料的強大工具，將為凝聚態物理、量子生物學、化學等領域提供革命性研究手段。同時，相關金剛石氮空位色心的可控制備與量子糾纏調控技術，也為室溫金剛石量子計算的實現奠定了關鍵基礎。
據悉，該研究由中國科學技術大學博士研究生周旭、特任副研究員王孟祺擔任共同第一作者，杜江峰院士與王亞教授為共同通訊作者。研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部等部門的資助支持。