金刚石中一种被称为氮空位(NV)中心的特定类型的自旋缺陷因其在各种量子应用中的潜在用途成为研究*广泛的系统之一。NV中心的自旋对任何物理、电或光学干扰都很敏感，使得它们成为潜在的高度敏感探测器。固态自旋缺陷是*有前途的量子平台之一，然而许多有趣的特性只有在自旋缺陷密度变化时才能显现出来。通过创建更密集的缺陷集合来增加相互作用强度也会带来更多的退相干。理想情况下，人们希望随意控制自旋浓度，同时保持固定的退相干效应。

研究人员表明，通过利用电荷传输，可以朝这个方向采取一些步骤，同时表征电荷传输及其通过缺陷的捕获。通过利用金刚石中NV中心电离和重组的循环过程，将电子从价带泵送到导带。然后传输这些电荷，通过改变材料缺陷的电荷状态来调节自旋浓度。通过开发与快速单光子探测器阵列集成的宽视场成像装置，通过以微米级空间分辨率测量旋转浴的完整光谱，实现了电荷重新分布过程的直接有效的表征。

该研究证明了主要自旋缺陷的浓度增加了两倍，同时保持NV中心的T2相对不变，这也提供了通过超精细相互作用抑制自旋触发器的潜在实验证明。该项工作为研究混合电荷自旋系统中具有时间和空间可调相互作用强度的多体动力学铺平了道路。相关研究以“Manipulating solid-state spin concentration through charge transport”为题发表在《PNAS》上。

图文导读

通过电荷变化调节自旋密度

光照下电子自旋种的再分布

电荷态的寿命

想干时间成像

总结

该研究提出并演示了通过电荷传输来操控金刚石中的自旋浓度。利用光诱导电荷在不同自旋物种之间的重新分布，不同自旋物种之间的翻转抑制不同，探针（NV）自旋的相干时间相对不变。除了在序列重复下表征系统的稳态外，研究人员还展示了表征电荷动态的可行性。该工作通过测量DEER光谱提供了一种灵活的工具，可以表征材料，包括电荷和自旋动态。

近年来，固态缺陷已经显示出在探索流体力学方面的潜力，旨在弥合微观量子定律与宏观经典现象之间的差距。自旋集合中的天然偶极相互作用可作为一个多用途平台，用于设计和表征多体量子自旋系统。该工作提供了在同一材料中在这些自旋传输实验中临时和空间上调整自旋浓度的方法，同时保持自旋相干时间。此外，将电荷自由度引入系统，为用两种耦合的传输机制设计多体系统提供了更灵活的平台。

进一步将设置与波长可调的激光集成，可以更*地揭示缺陷能级与材料能带之间的关系，从而在将实验与*性原理计算相结合时，能够识别出各种缺陷。这种指纹能够更完整地重建局部电荷和自旋环境。将电荷密度控制与自旋到电荷转换相结合，为通过电荷载流子的相干传输量子信息以及按需产生其他量子自旋缺陷铺平了道路。此外，提高局部电荷密度的光学可调性对于通过激光束成形开发电荷透镜是具有前景的。