2020年6月11日
电子在很大程度上受磁场的支配，科学家可以操纵磁场来控制电子和它们的角动量，也就是它们的“自旋”。
2013年，由工程学院应用与工程物理学助理教授Greg Fuchs领导的康奈尔大学团队发明了一种新方法，通过使用机械谐振器产生的声波来实现这种控制。这种方法使研究小组能够控制电子自旋跃迁(也称为自旋共振)，否则通过传统的磁行为是不可能实现的。
这一发现对任何想要制造移动导航设备中使用的量子传感器的人来说都是一个福音。然而，这样的设备仍然需要一个磁场控制场——因此需要一个庞大的磁天线——来驱动某些自旋跃进。
现在，福克斯的团队已经证明，这些转变完全可以由声学驱动。这消除了对磁性天线的需求，使工程师能够制造更小、更节能的声波传感器，可以更紧密地封装在单个设备上。
团队的纸,金刚石氮空位中心单量子自旋跃迁的声学驱动五月二十七日出版于应用物理评论．
“你可以用磁场来驱动这些自旋跃迁，但磁场实际上是一个非常广泛的大物体，”福克斯说。“相比之下，声波是非常有限的。所以，如果你想在芯片内部独立地控制不同的旋转区域，那么使用声波是一种明智的方法。”
为了驱动电子自旋跃迁，该论文的第一作者Fuchs和Huiyao Chen’20使用了氮空位(NV)中心，这是金刚石晶格中的缺陷。声波谐振器是装有换能器的微电子机械系统(MEMS)设备。当施加电压时，该设备振动，向晶体发送2至3千兆赫的声波。这些频率在缺陷中引起应变和应力，从而导致电子自旋共振。
一个复杂的问题是:这个过程也会激发磁场，所以研究人员从来没有完全确定机械振动和磁振动的影响。因此，Fuchs和Chen开始煞费苦心地测量声波和自旋跃迁之间的耦合，并将其与理论物理学家提出的计算方法进行比较。
“我们能够分别建立磁性部分和声学部分，从而测量未知的系数，该系数决定了单量子跃迁对声波的耦合强度，”福克斯说。
令我们又惊又喜的是，答案是，它的数量级比预期的要大。这意味着，你确实可以设计出完全的声学自旋共振设备，例如，可以制作优秀的磁场传感器，但不需要磁场控制来运行它们。”
福克斯正在与康奈尔大学技术许可中心合作，为这一发现申请专利，该发现可能在导航技术方面有重要应用。
“全国上下都在努力制造具有金刚石NV中心的高稳定磁场传感器，”福克斯说。“人们已经在使用磁性天线，基于传统的磁共振技术制造这些设备。我认为，我们的发现将带来巨大的好处，可以让它变得更加紧凑，并能够制造间距很近的独立传感器。”
普渡大学(Purdue University)电子与计算机工程教授苏尼尔·巴韦(Sunil Bhave)对这篇论文做出了贡献。
这项研究得到了美国国防高级研究计划局和海军研究办公室的支持。
来源:https://www.cornell.edu/