Optical Detection of Coherent Nuclear Spin Control in a Molecular System at Room Temperature
本研究展示了在室温条件下，利用强超精细耦合实现快速拉比振荡以用于先进分子量子传感，首次实现了对有机分子6,13-二氮并五苯光激发三重态中N核自旋的光学检测与相干控制。
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量子传感是一个致力于以极高精度测量物理世界的领域，通常通过使用自然界中最小的构建模块来实现。这项工作的核心是被称为“自旋”的微小粒子，它们就像微观磁铁一样。其中一些自旋属于电子，而另一些则属于原子中心的原子核。电子是极佳的传感器，因为它们对磁场反应强烈，并且可以用光进行控制，但它们也很脆弱，信息丢失得很快。相比之下，原子核非常稳定，可以长时间保存信息，因此是理想的存储器。多年来，科学家们一直试图结合这两者的优势：利用电子来读取和写入信息，并利用原子核来存储信息。虽然这已在钻石等固体材料中实现，但在室温下利用柔性、定制的分子来实现同样的目标仍然是一个重大挑战。
现在，一支研究团队已经克服了这一障碍，首次证明了他们可以在室温下利用光来控制分子内部的核自旋。科学家们使用了一种名为 6,13-二氮杂五苯（6,13-diazapentacene）的特定有机分子，并将其嵌入到另一种有机物质制成的晶体中。当他们用激光照射这种分子时，它会吸收光并进入一种特殊的激发态，在这种状态下，其电子会发生极化，这意味着所有的电子都排列在特定的方向上。这种排列是他们实验的起点。该分子含有氮原子，而这些氮原子的原子核也拥有各自的自旋。由于电子和这些原子核靠得非常近，它们彼此之间有着强烈的相互作用。研究人员利用这种联系，利用无线电波来推动核自旋，并利用光来观察发生了什么。
整个过程始于一个准备分子的激光脉冲，随后是一个针对电子自旋的微波脉冲。这个微波脉冲充当了一个开关，将电子的状态转移到原子核上。一旦原子核处于特定状态，研究人员就会施加一个射频脉冲，使核自旋旋转或翻转。最后，他们再次照射激光脉冲以读取结果。如果射频脉冲成功改变了核自旋，它会改变电子的行为，进而改变分子发出的光量。通过测量这种亮度的变化，团队可以确认他们是否成功检测并控制了核自旋。这种被称为光学检测核磁共振（ODNMR）的技术，使他们无需通常进行此类精密测量所需的极低温，就能观察到氮原子的特定能量跃迁。
结果显示，研究人员不仅能够检测到这些核自旋，还能让它们以受控的、有节奏的模式进行振荡，这种现象被称为拉比振荡（Rabi oscillations）。这些振荡发生的频率为每秒数百万次循环，对于核自旋而言，这个速度非常快。这种速度之所以可能，是因为电子与原子核之间的强相互作用放大了无线电波的效果，使得原子核能够比自身独立存在时响应得快得多。这种速度对于量子技术至关重要，因为它意味着信息可以被快速处理和存储。团队还绘制了氮原子的特定能级图，发现它们的行为符合关于这些原子在分子结构中应如何作用的理论预测。
这一成就标志着分子量子传感器发展的重要一步。通过证明这些复杂的相互作用可以在室温下得到管理，研究人员为使用定制设计的分子作为多功能传感工具打开了大门。通过化学工程手段设计这些分子的能力，意味着科学家们可以潜在地调整其特性以适应特定需求，例如探测生物组织中的磁场或高精度测量压力。这项工作还表明，这些分子可以作为未来量子计算机中的存储单元，在这些计算机中，稳定的原子核存储数据，而电子负责处理。虽然目前的研究集中在单一类型的分子上，但此处展示的原理为创建更先进的系统奠定了基础，这些系统将结合电子和原子核的最佳特性，用于下一代量子技术。
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