Cảm biến Lượng tử Kim cương Princeton Tăng Độ Nhạy Gấp 40 Lần Nhờ Liên Kết Trung Tâm NV

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Princeton đã phát triển một kỹ thuật cảm biến từ tính quy mô nano mang tính phương pháp luận, sử dụng các trung tâm khuyết tật nitơ-khoảng trống (NV) được liên kết lượng tử trong kim cương. Công trình này, được công bố trên tạp chí Nature vào ngày 26 tháng 11 năm 2025, đã đạt được độ nhạy cao hơn khoảng 40 lần so với các phương pháp trước đó, mở ra khả năng quan sát các dao động từ tính trước đây không thể phát hiện được ở quy mô nano.

Sự cải tiến đáng kể này đạt được thông qua việc chế tạo các khuyết tật được thiết kế riêng gần bề mặt kim cương nuôi cấy trong phòng thí nghiệm. Các nhà khoa học đã cấy các nguyên tử nitơ vào kim cương với tốc độ hơn 30.000 feet mỗi giây, tạo ra hai trung tâm NV cách nhau khoảng 10 nanomet. Việc đặt gần nhau này cho phép các trung tâm tương tác cơ học lượng tử thông qua sự liên kết, khiến các electron của chúng hoạt động đồng bộ để có thể đo đạc và tam giác hóa các tín hiệu trong môi trường nhiễu loạn. Tiến trình này đánh dấu sự chuyển đổi từ các phương pháp phát hiện tương quan phức tạp, không liên kết trước đây sang một hệ thống liên kết đơn giản hơn, chỉ cần một phép đo thông thường, theo lời Giáo sư Nathalie de Leon, tác giả chính của nghiên cứu.

Giáo sư Nathalie de Leon, một nhà vật lý và kỹ sư điện và máy tính tại Princeton, người đã nhận Giải thưởng Rolf Landauer và Charles H. Bennett của APS năm 2023, đã dẫn dắt công trình này. Nguồn gốc của nghiên cứu bắt nguồn từ các khám phá lý thuyết của Jared Rovny, người bắt đầu làm việc với nhóm de Leon vào năm 2020 với tư cách là nghiên cứu sinh sau tiến sĩ của Sáng kiến Lượng tử Princeton. Công trình trước đó của họ vào năm 2022 trên tạp chí Science đã xem xét các tương quan giữa các trung tâm không liên kết, một phương pháp được xác định là tốn nhiều công sức về mặt kỹ thuật.

Kỹ thuật mới này có ý nghĩa to lớn đối với lĩnh vực vật lý chất rắn, đặc biệt trong việc nghiên cứu các vật liệu điện tử và từ tính ở quy mô nano, nơi các hiện tượng lượng tử trở nên nổi bật. Giáo sư Philip Kim, một nhà vật lý thực nghiệm tại Harvard, chuyên nghiên cứu các hiện tượng vận chuyển trong các vật liệu nano một chiều như graphene, đã nhận xét rằng các kỹ thuật trước đây bị giới hạn trong các mạng tinh thể được xây dựng cẩn thận, trong khi phương pháp mới này cho phép các nhà khoa học thăm dò trực tiếp các vật liệu thực tế. Phạm vi kích thước mà các nhà khoa học muốn đo lường, nằm giữa thang đo nguyên tử và bước sóng ánh sáng khả kiến, là quan trọng để hiểu các hiện tượng như sự tiến hóa của các xoáy từ trong vật liệu siêu dẫn.

Các trung tâm NV đã được công nhận là một nền tảng đầy hứa hẹn cho cảm biến lượng tử dựa trên spin do khả năng duy trì sự kết hợp lượng tử vượt trội trong điều kiện môi trường và độ nhạy cảm với từ trường. Việc đạt được độ nhạy tăng gấp 40 lần bằng cách khai thác sự liên kết để lọc nhiễu là một thành tựu kỹ thuật và vật lý quan trọng, hướng tới việc chế tạo các thiết bị lượng tử có thể mở rộng cho mạng lưới lượng tử và cảm biến nano. Công nghệ này đã được phát triển trong khoảng năm năm.