随着二维缺陷揭示隐藏的时序，量子传感器的精度得到了提升

传感器性能的关键因素是系统在扰动或测量后恢复到初始状态的速度，类似于天平的测平。在正在研究的量子传感器中，这对应于电子从能激发态向基态的转变。然而，电子会在短时间内保持一种亚稳态中间态。来自尤利乌斯·马克西米连大学（JMU）的一组物理学家，现在已经直接在二维材料中测量了这个等待时间：它持续的时间正好是24亿分之一秒。

这些知识对量子技术尤为重要。它可以显著提高原子传感器的精度，为未来的医学诊断开辟道路。实验物理学第六期（EPVI）讲席主任弗拉基米尔·迪亚科诺夫教授负责该研究，发表在《科学进展》期刊上。

缺陷作为量子传感器的基础

在现代量子技术中，固体中的所谓原子缺陷构成了精确测量仪器的基础。长期以来，钻石被视为量子传感器的标准材料，因其三维晶体结构有效防止外部干扰。如果碳原子通常完美的晶格中缺少一个原子，这个缺陷就像一个微小的量子传感器，其属性可以通过激光和微波进行控制。

问题在于，在三维金刚石晶格中，传感器缺陷与待分析物体之间的距离相对较远，从而降低了信号强度。维尔茨堡团队研究的材料情况不同：六方氮化硼（hBN）——一种由单层原子组成的二维材料。

迪亚科诺夫说：“与三维晶体不同，氢硼允许在极薄的层内以原子级精度定位自旋缺陷，”并解释了这种材料的关键优势。这使得与测量对象的距离显著缩短，从而实现更强的相互作用。带负电的硼缺陷尤其有前景，因为它们也可以在室温下光学检测。然而，要充分利用这些二维传感器的潜力，仅靠空间距离是不够的;必须详细理解这些缺陷的内部“时钟”及其动态过程。

电子保持在等待模式中

系统在光学激发后返回基态的速度是一个决定性因素。所谓的“亚稳态中间态”，比喻意义上，就像电子的停车场或候诊室，在这里起着重要作用：电子在返回基态之前，会在该态停留短暂时间，限制了测量周期的顺序。

此前，关于这一中间状态的知识主要基于理论模拟。维尔茨堡大学团队现已首次成功通过实验直接测量该状态的寿命。

“在室温下，这正好是24纳秒;在液氦温度下，这一寿命几乎是两倍。为了能够观察这些，我们使用类似频闪仪的激光器，拍摄系统的快照，“EPVI主席博士生保罗·康拉德解释道，他负责了这些实验。这种直接的实验验证对专家极为重要，因为它为精确匹配传感器控制与材料自然动力学提供了可靠基础。

通过智能时机提升效率

这很重要，因为量子传感器的灵敏度很大程度上依赖于所谓的“相干控制”——即精确控制量子态的能力。研究人员证明，优化时间管理显著提高了该控制的效率。通过在激光激发与微波操控之间插入约150纳秒的目标延迟，确保中间态的“候诊室”完全清空，所有电子都准备好在基态中进行测量。

此次优化的结果：“测量结果的对比度提升了近26%。这使整个系统的灵敏度提升了约11%。“迪亚科诺夫说。这种增加的原因是调整后的时序允许同时处理集合中的更多旋转。“随着自旋次数的增加，灵敏度在统计上增加，清空'停车场'直接导致更精确的测量结果，”这位物理学家总结道。

展望：迈向下一代量子传感器的路径

所获得的见解对于基于二维材料的量子传感技术的进一步发展至关重要。对中间态寿命的了解现在使设计更复杂的测量协议或应用于新型二维异质结构成为可能。

尽管取得了这些进步，技术挑战依然存在。氢苯的磁环境比金刚石更复杂，因为该材料由100%磁性同位素组成，其核自旋缩短了传感器的相干时间。因此，未来的研究必须找到进一步减少这些环境扰动的方法。

Paul Konrad 等，《六方氮化硼中硼空自旋缺陷的中间激发态弛豫动力学》，《科学进展》（2026年）。DOI： 10.1126/sciadv.aea0109

期刊信息：科学进展 

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