Room-temperature near-infrared optical readout of triplet spin states integrated in carbon nanotubes towards quantum sensing
本文介绍了单壁碳纳米管中的对卤苯基量子缺陷，作为一种稳健的、室温下的、近红外光学平台，用于初始化和读取三线态自旋态，从而实现在环境条件下对顺磁分子的高光稳定性量子传感。
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想象一个微型传感器能够探测到单个分子最微弱的磁性低语的世界，它并非运行在冰冷的实验室中，而是就在这里，在常温的温暖环境中。这就是量子传感技术的愿景，这一领域试图利用量子世界的奇特规则，以不可思议的精度进行测量。多年来，科学家们一直依赖于固体材料中的特定缺陷，例如钻石中微小的空洞，来充当这些传感器。这些缺陷可以持有某种特定类型的自旋，这是一种量子属性，就像一根微小的指南针，研究人员可以通过光来读取这根指针的方向。然而，这些固体传感器很难被精确地放置在需要它们的地方，而且通常难以调节。另一方面，科学家们也尝试使用有机分子从零开始构建传感器，但这些分子在正常条件下往往显得脆弱且不稳定。挑战在于寻找一种既能结合固体的稳定性，又能兼具分子的灵活性与精准度，且能在室温下工作的材料。
一支研究团队现在发现了一种将简单的碳纳米管转化为此类传感器的的方法。碳纳米管是极其纤细、管状结构的碳原子组成物，以其强度和独特的电学性质而闻名。研究人员获取了这些纳米管，并在其表面通过化学手段附着了微小的原子团，从而创造出了所谓的“缺陷”。可以将这些缺陷想象成刻意制造的能量陷阱。当团队将特定颜色的激光照射到这些经过改性的纳米管上时，被捕获的能量形成了一种特殊的态，称为三线态激子（triplet exciton）。这种状态表现得像一个微小的磁体，具有可以被操控的自旋。这项工作的突破在于，团队证明了他们可以在这些纳米管处于液体中且处于室温的情况下，通过光来实现这种自旋态的初始化与读取。他们是通过一种被称为光学检测磁共振（optically detected magnetic resonance）的技术实现的，该技术涉及向样品施加微波以翻转自旋，并观察纳米管发出的光如何随之变化。
研究人员使用包裹在聚合物中并分散在液体溶剂中的纳米管测试了这种方法。他们在纳米管上附着了不同类型的卤素原子，并发现无论使用哪种原子，该系统都能可靠运行。最令人惊叹的发现是信号如何根据纳米管相对于磁场的取向而变化。当纳米管与磁场平行排列时，信号的变化方式与它们在其他方向排列时完全不同。这种行为在极低温度下并未出现，而是随着温度升高而显现，并在室温下趋于稳定。团队认为，这种独特的行为源于热量有助于混合纳米管内的不同能量态，使得自旋能够以特定的方式排列，从而更容易通过光进行检测。这种机制使得传感器无需像以往精密的量子测量那样需要极端的低温即可运行。
为了证明这种新传感器确实能够探测物体，研究人员将其针对一种已知稳定的自由漂浮分子——自由基进行了测试。当他们在含有纳米管的溶液中加入这些自由基分子时，纳米管的信号显著下降。这种下降是因为自由基分子的磁性干扰了纳米管的自旋态，从而扰乱了信息。至关重要的是，当他们测试另一种缺乏这种磁性的类似分子时，信号保持不变。这证实了传感器是对目标的磁性存在做出反应，而非仅仅是对其物理存在或化学环境做出反应。研究人员还展示了该系统即使在溶液中存在氧气的情况下也能正常工作，证明了它可以在普通的日常空气中运行，而不需要特殊的保护环境。
最后，团队超越了大型、复杂的实验室设备，展示了这项技术可以实现便携化。他们将一层薄薄的改性纳米管薄膜直接放置在一个能够产生微波的小型简单天线上。通过天线照射激光并测量射出的光，他们能够检测到相同的自旋信号，尽管信号比在大型装置中稍弱。这一演示表明，这些传感器最终可以被构建成芯片大小的微型设备。此类设备可用于现场检测磁场或在复杂的环境中感测生物分子，且全部在现实世界的温暖环境条件下运行。这项工作为创建稳健、可扩展且无需极端条件的量子传感器开辟了一条新的路径。
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