基于金刚石的量子物理研究论文

金刚石中的一些自旋揭示了物理学中最持久的谜团之一——经典物理学的客观现实是如何从朦胧的概率量子世界中浮现出来的？德国和美国的物理学家利用钻石上的氮空位(NV)中心来证明“量子达尔文主义”，即系统的“最适合”状态在量子世界和经典世界之间的过渡中存活和扩散。 在过去，物理学家倾向于认为经典和量子世界被突然的屏障所分割，这道屏障在我们熟悉的宏观（经典）领域和我们不熟悉的微观(量子)领域之间做出了根本的区分。但近几十年来，这种观点发生了变化。此案在许多专家认为这种转变是渐进的，我们所测量的确定的经典态来自于概率量子态，随着它们与周围环境的纠缠越来越多，它们逐渐失去了相干性(尽管速度非常快)。新墨西哥州洛斯阿拉莫斯国家实验室(Los Alamos National Laboratory)的沃伊切赫•祖雷克(Wojciech Zurek)提出的量子达尔文主义(Quantum darwin)认为，我们所感知的经典状态是强大的量子状态，能够在退相干过程中经受住纠缠。他的理论框架假定，关于这些状态的信息将被重复许多次，并在整个环境中传播。正如自然选择告诉我们，一个物种中最适的个体必须生存下来以大量繁殖，从而形成进化，最适合的量子态将被复制，并呈现经典状态。这种冗余意味着许多个体观察者会将任何给定状态度量为具有相同的值，从而确保客观现实。孤立的自旋 为了从实验上观察冗余现象，德国乌尔姆大学的Fedor Jelezko和其他实验人员与Zurek和一些理论家同事进行了合作。研究小组专注于NV中心，当金刚石晶格中的相邻两个碳原子被一个氮原子和一个空晶格取代时，就会产生NV中心。氮原子有一个未配对的电子。这表现为一个孤立的自旋-它可以是向上，向下或两者的叠加。自旋态可以在一个完善的过程中进行探测，该过程包括用激光照射金刚石并记录其发出的荧光。 研究人员开始监测NV自旋如何与邻近几个碳原子的自旋相互作用。金刚石中的大多数碳是碳-12，其自旋为零。然而，大约1%的原子是碳-13，它具有核自旋。他们的实验涉及到 探索 NV自旋与大约1纳米远的4个碳13原子之间的相互作用。作为环境的碳-13自旋太弱而不能相互作用，但却在NV自旋中引起退相干。这个过程包括碳-13自旋转变为依赖于NV自旋状态的新量子态。该实验是通过将绿色激光照射到毫米级钻石样品内的NV旋转上并测量随微波和射频场打开和关闭时发射的光子来完成的。因为他们无法直接观察碳13旋转,所以团队将这些自旋状态转移到NV自旋并再次利用荧光测量。Jelezko说，这种反直觉的方法是可行的，因为实验中的三个步骤 - 准备自旋状态，退相干和测量 - 在时间上完全分开。 自然环境 通过这样做，研究人员发现了预期的冗余。通过测量一个碳-13原子核的自旋，并多次重复实验，他们发现他们可以在大多数情况下正确地推断出大多数NV自旋特性。但是对额外的核自旋的测量几乎没有增加这方面的知识。他们在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上发表的一篇论文中写道，这些结果“首次在实验室证明了量子达尔文主义在自然环境中的作用”。Jelezko说，“自然”一词指的是，固体中的自旋退相干通常是由于磁性与核自旋相互作用的结果。他补充说，这个过程使得利用固体中的自旋来构建量子计算机变得困难。该小组的下一步是扩大实验规模，尽管Jelezko承认，接近宏观物体(甚至是尘埃颗粒)的大小很可能是不可能的。他说:“我不认为我们将能制造出十亿个原子，但20个就已经产生了巨大的影响。”

近日，南方 科技 大学物理系/量子科学与工程研究院助理教授吴健生课题组与北京大学教授刘雄军课题组、中国科学技术大学教授王亚课题组合作首次提出了高阶能带翻转面的概念，基于这一概念进一步提出了动力学表征拓扑属性的实验方案，并利用量子模拟器对这一实验方案的优势进行了认证，相关研究结果以“Quantum dynamical characterization and simulation of topological phases with high-order band inversion surfaces”为题发表在 PRX Quantum 。 在拓扑量子体系中，体边对应是一个重要的物理机制，比如在量子霍尔效应、拓扑绝缘体和拓扑超导体中，体系的拓扑数和边界态的数目是相互关联的，因此体边对应机制可以用于验证体系的拓扑量子态和测量拓扑不变量。在实空间中，这一机制可以被很好地定义，却无法扩展到动量空间，因为后者是完全封闭的，不存在边界。最近一种定义在动量空间中的拓扑分类方法被提出，它指出一个d维体系的拓扑数可以用d-1维动量子空间中的自旋纹理进行表征，这个子空间被称之为能带翻转面。实验研究显示，这一方法在拓扑表征上具有两个明显优势：一是能够利用动力学方法进行表征；二是可以进行高精度的实验测量。在当前工作中，研究团队从拓扑体系的动力学表征出发，进一步提出了高阶能带翻转面的概念。基于“降低维度”的方法，展示了通过量子淬灭技术，体系的拓扑属性可以在高阶能带翻转面上表征出来，并在实验中验证了在高阶能带翻转面上进行拓扑表征的巨大优势。 图1:三维手征拓扑绝缘体的一/二/三阶能带翻转面和相应的自旋纹理。 该研究首先在理论上对一个三维手征拓扑绝缘体进行了动力学表征，这个系统的不同阶的能带翻转面体现为动量空间中不同维度的曲面[图1(a-1)的曲面]，曲线[图1(b-1)的曲线]和点[图1(c-1)上的点]。通过淬灭和测量自旋方向，可以确定这些曲面，曲线和点上面相应的自旋纹理[图1(a,b,c-2)上的箭头]；通过这些自旋纹理都可以同样得到系统的完全相同的拓扑信息。优点是随着能带翻转面的维度降低，测量的范围明显缩小，特别是在最高阶情况中，能带翻转面是零维的，只有两个点，这使得实验上的测量步骤大大简化，相对于一阶和二阶情况具有明显的优势。这套能带反转面及其降维的方案适用于一般的拓扑能带理论，可以用非常简化的实验来测量体系的拓扑性质。 图2: (a,b)基于金刚石NV色心固态自旋建立的量子模拟器。(c-f) 三维手征拓扑绝缘体动力学表征的量子模拟。 该研究对这一表征方案及其优势进行了实验上的认证。图2展示了基于金刚石NV色心固态自旋建立的量子模拟器，通过对能带翻转面的降维，最终得到零维的三阶能带翻转面，即动量空间中的两个点，在测量其周围的时间平均极化率后，可以得到自旋纹理，从而确定体系的拓扑非平庸属性，同时也演示了用高阶能带翻转面进行拓扑表征的巨大优势。 论文的第一单位为南方 科技 大学，共同第一作者是量子科学与工程研究院研究助理教授虞祥龙、中国科学技术大学博士后季文韬和北京大学博士生张林，通讯作者是王亚、吴健生、刘雄军。该成果得到了国家自然科学基金、广东省创新创业团队、广东省重点实验室以及深圳市科创委基础研究面上项目的大力支持。 文章链接：