中国学者一作！首次实现单电子自旋共振检测，登上Nature!

70年来，电子自旋共振 (ESR)光谱法已被化学家、生物学家和工程师广泛用于分析材料、蛋白质、电池、食品等方面。该方法可用于检测顺磁性元素（具有未配对电子的原子）的存在，尤其是金属离子（如过渡金属和镧系元素）或自由基缺陷的检测。例如，生物学家可以使用该方法检测蛋白质活性位点中的金属离子，考古学家可以通过检测由天然放射性引起的顺磁缺陷来确定古代材料的年代。

然而，尽管利用自旋依赖性光致发光、传输测量和扫描探针技术已经可以实现单个电子自旋的灵敏度，但这些方法针对特定系统或仅在较小的探测体积内敏感，因此实际的单自旋探测仍然是一个挑战。

基于以上挑战，得益于极其灵敏的微波光子计数器，法国巴黎-萨克雷大学Emmanuel Flurin教授课题组实现了利用电子自旋共振（ESR）探测单个电子自旋的壮举。与传统测量方法相比，ESR光谱的分辨率不仅提高了约10个数量级，而且CaWO4晶体中的Er3+离子预示着量子计算将出现一种前景广阔的新架构。相关成果以“Single-electron spin resonance detection by microwave photon counting”为题发表在《Nature》上，第一作者为中国学者Zhiren WANG，L. Balembois为共同一作。

该团队在毫开尔文温度下，利用微波光子计数器通过自旋荧光检测展示了单电子磁共振。作者检测了白钨矿晶体中的单个顺磁性铒离子，该晶体与高质量因子平面超导谐振器耦合以提高其辐射衰减速率，在1秒积分时间内实现1.9的信噪比。荧光信号显示出反聚束现象，证明其来自单个发射器。受自旋辐射寿命的限制，测量到的相干时间可达3毫秒。该方法有望应用于具有任意顺磁性物质的潜力，具备足够长的非辐射弛豫时间，并允许在与谐振器磁模体积一样大的体积内进行单自旋检测（本实验中约为10 μm3），比其他单自旋检测技术大几个数量级。因此，该技术有望在磁共振和量子计算等领域得到应用。

平面谐振器是在晶体顶部用超导铌薄膜制成的。该器件的核心是一根600nm宽、94μm长的导线用作集总电感，由一个指形电容器分流。导线（z方向）大致沿晶体c轴定向，磁场B0沿样品表面（z-y平面）施加，与z的夹角θ可调。谐振器以κc的速率与传输线耦合，用于激发自旋并收集其荧光，而谐振器的总阻尼速率κ还包括内部损耗κi（图2a）。循环器将激励脉冲从输入线传到样品，反射脉冲和随后的自旋荧光信号一起传到基于跨子量子比特的SMPD的输入端。

图1：微波光子计数单自旋光谱原理

荧光信号是脉冲激发的所有自旋信号的总和，其特性与激发功率密切相关。作者首先以高输入功率记录Er3+:CaWO4共振的光谱，从而激发许多具有低ΓR的弱耦合离子。与暗计数水平相比，脉冲后的平均计数率与时间的函数关系显示出过量，并且在大约100毫秒的时间尺度内非指数衰减。然后，作者用dB更低的激励功率记录这条线，同时将积分时间缩短到2 ms，从而只激励和探测最强耦合和最快弛豫的自旋。现在，积分计数显示出质的不同行为，并显示为窄的、不均匀分布的峰值之和，其典型振幅为超过噪声本底的0.1个过量计数（图2e）。调谐到其中一个峰时，荧光曲线呈指数衰减（图2f），时间常数约为2毫秒。这些特征表明，每个峰值都对应于单个Er3+离子自旋产生的微波荧光信号，类似于单个固态发射极集合的光学荧光光谱。

图 2：自旋光谱

为了证明峰值的稳定性和可重复性，作者进行了二维磁场扫描，记录了背景校正的平均计数数（图3）。每个离子似乎都有自己的回旋磁张量γ，接近于γ0，但主轴和对称轴的值不同，对称轴可能略微偏离c轴，这生动地说明了非均质展宽的概念。

图 3：单自旋解析的旋转模式

现在作者选择其中一个峰（s0），进一步证明其单自旋性质。作者首先测量过量计数与微波脉冲持续时间的函数关系。作者观察到频率与脉冲幅度线性相关的正弦振荡，正如单自旋拉比振荡所预期的那样。与这些振荡叠加的是计数的逐渐增加，作者将其归因于缺陷浴的加热。

图 4：自旋 s0 的表征

用微波处理单个自旋的能力为将它们用作量子计算的自旋量子比特开辟了道路，因此对它们的相干特性进行表征是非常有趣的。纵向弛豫时间T1可以简单地从荧光曲线衰减中获得；作者选择了共振（δ = 0）时T1 = 1.42 ± 0.07 ms（图5a）的自旋（s6）。使用拉姆齐序列来精确测量δ，从而可以确定自旋纵向弛豫时间T1对δ的依赖关系。

图 5：自旋 s6 的相干时间测量

小结

总之，作者报告了通过探测单个稀土离子电子自旋的微波荧光对其进行光谱测量的结果。它们的线宽比不均匀加宽的集合窄四个数量级，从而大大提高了光谱分辨率。在实验中，数十个相干时间超过1毫秒的单个自旋与同一个微波谐振器相连接，这为混合量子计算开辟了新的前景。由于其广泛的适用性、较大的探测体积和光谱能力，作者的探测方法接近于在毫开尔文温度下实用的单自旋ESR，从而可能为ESR光谱学开辟新的应用领域。

转自：“高分子科学前沿”微信公众号

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