Room-temperature quantum-sensing molecular crystals grown in minutes
本文证明了微间距空气中升华（MAS）技术能够实现从商用前驱体快速、低成本地制备高质量、室温量子传感分子晶体，且无需真空或专门的处理工艺，即可实现具有窄线宽的光学检测磁共振以及相干自旋控制。
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想象一下这样一个世界：固体材料内部微小的缺陷可以像灵敏的耳朵一样，倾听磁场、温度变化或电流最细微的低语。长期以来，科学家一直利用这些“量子传感器”来窥探新材料和活细胞内部隐藏的运作机制。几十年来，这项工作的最佳工具是由钻石或碳化硅等昂贵且难以生长的高品质晶体制成的。这些材料含有特殊的缺陷，可以通过光进行读取和控制，但制造它们需要高科技工厂、真空室和昂贵的原材料。这限制了它们的广泛应用，也使得快速测试新想法变得困难。
在有机分子领域存在着另一条路径。这些是构成生命和许多塑料的碳基化合物。理论上，科学家可以混合不同的分子，以创造具有特定属性的定制传感器。然而，将这些想法变为现实一直是一个瓶颈。生长高质量的分子晶体通常需要复杂的、多步骤的化学配方，或处理脆弱气体的专门设备。这个过程缓慢、昂贵，且往往无法产生传感所需的薄而透明的层。挑战在于，如何找到一种无需依赖实验室里一整套昂贵机械，就能在玻璃片上快速且简单地生长出这些分子晶体的方法。
研究人员现在发现了一种解决方案，它将这一困难的过程转变为可以在标准实验室工作台上在几分钟内完成的任务。他们开发了一种称为“空气中微间距升华”的方法，该方法允许仅通过加热和空气，直接在玻璃片上生长出高质量的分子晶体。他们不再依赖复杂的化学合成或真空室，而只是取少量的市售粉末，将其放置在由两片玻璃盖玻片隔开的微小间隙中，然后对整个组件进行加热。在几分钟内，粉末转化为蒸气，穿过微小的间隙，并在顶部的玻璃片上结晶成完美的透明晶体。
研究人员用几种不同的分子对测试了这种方法。他们通过混合蒽或联苯与一种称为四氰基苯的分子，以及五苯与五苯醌的混合物来创建晶体。在晶体形成过程中，团队使用显微镜实时观察它们的生长过程，观察分子如何组织成独特的形状，例如扁平的板状或长针状。值得注意的是，这些晶体不仅在视觉上是透明的，而且还具备了传感所需的特定量子特性。当研究人员向晶体照射激光并施加微波时，他们能够检测到一种被称为光检测磁共旋（ODMR）的尖锐信号。这种信号就像一个指纹，证实了晶体内部的电子自旋是稳定的，并且对磁场具有响应性，即使在室温下也是如此。
其中一个最令人瞩目的发现是这些晶体的质量。尽管是在简单的开放式空气设置中生长的，但这些晶体如此纯净且排列有序，以至于它们可以像光纤电缆一样引导光线沿其长度传播。这种固有的导光能力对于传感器至关重要，因为它允许高效地读取信号。团队测量了磁共振信号的锐度，发现对于某些晶体，其线宽极窄，达到了 4 兆赫兹以下。这种精度可以与甚至优于在更复杂、更昂贵的材料中所见到的水平相媲美。此外，他们证明了能够高精度地控制五苯基晶体中的电子自旋，使其在室温下保持约 0.56 微秒的相干态，这对于此类系统而言是一个显著的持续时间。
研究还表明，并非所有的晶体都以相同的方式生长。通过密切观察生长过程，研究人员发现，有些分子是通过先熔化成微小的液滴然后再凝固的方式形成晶体，而另一些则直接从蒸气跳跃到固体。理解这些不同的路径使他们能够微调加热过程，以获得最佳结果。这种能够实时观察并调整生长的能力，意味着科学家现在可以快速筛选新的分子组合，以寻找最佳的传感候选材料，而这在以前由于速度太慢且过于困难，很难进行系统性的尝试。
这项工作的意义不仅在于让传感器变得更便宜。通过证明高质量的量子材料可以利用简单的、市售的原料快速生长，研究人员为一个广阔的设计空间打开了大门。科学家现在可以测试数千种不同的分子组合，以创造针对特定环境（从生物组织到电子设备）定制的传感器。该方法消除了昂贵基础设施的障碍，暗示着量子传感的未来可能会涉及按需生长的薄且可调的有机晶体层。虽然这项技术仍处于早期阶段，但这种在快速生长的、空气合成的晶体中实现室温量子控制的演示，标志着向使这些强大的工具适用于广泛的科学和实际应用迈出了重要一步。
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