作者:英格丽德·法德利
（同organic）有机 嵌入Ce3+的YSO晶体示意图
在6的距离内，检测到29Si耦合(洋红色)，无法区分更远的29Si(蓝色)
信用:科恩赫尔等人
稀土矿物是一类具有类似性质的材料，目前用于制造各种设备，包括发光二极管、可充电电池、磁铁、激光等等
这些材料的电子自旋可以存在于晶体中，创造出具有独特特性的系统，可以作为电信波段光子和长寿命自旋量子比特之间的界面
有趣的是，这些系统呈现的电子自旋与周围的核自旋相互作用，因此它们对量子记忆工具的发展特别有用
然而，到目前为止，没有研究人员能够感知或检测到稀土相关晶体中的近端核自旋
在《物理评论快报》的一项研究中，斯图加特大学和北京计算科学研究中心的研究人员成功地探测到了这些邻近的核自旋，更具体地说，是那些位于正硅酸钇(YSO)晶体中单个Ce3+离子附近的核自旋
他们的研究建立在先前发表在《自然通讯》上的一篇论文的基础上，在这篇论文中，他们探索了不同晶体中单一稀土离子的相干特性
“我们以前的研究是在钇铝石榴石晶体上进行的，钇铝石榴石晶体的自旋池比YSO晶体更密集，并且在研究的电子自旋中显示出相对较短的相干相互作用时间，”进行这项研究的研究人员之一罗曼·科勒索夫告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“测量的相干时间促使我们研究另一种主晶体中的铈，这种主晶体具有稍微更稀的核自旋浴，即YSO，它仍然具有相当数量的100%钇-89和5%硅-29的核自旋同位素
" 在他们的新研究中，科勒索夫和他的同事想研究具有延长的相干时间的电子自旋，这最终导致他们研究YSO主晶体中的稀土材料
事实上，足够长的相干时间将最终允许他们感知外部核自旋，这是他们工作的主要目标
左:用于光学研究稀土离子的人造微透镜图像
右图:微透镜内稀土离子的激光扫描显微镜图像
信用:科恩赫尔等人
“根据所研究的稀土离子的荧光信号，可以检测出单个的核自旋，”进行这项研究的研究人员之一托马斯·科恩赫尔告诉《物理》杂志
（同organic）有机
“在我们的实验中，我们用圆偏振激光脉冲激发铈电子进入特定的自旋状态
利用微波场，自旋被带入叠加态，这可以获得外部核自旋的扰动
" 科勒索夫、科恩赫尔和他们的同事能够提取外部核自旋的扰动，作为另一系列激光脉冲发出的荧光信号
最值得注意的是，他们成功地提取了密集核自旋浴中单个外部核自旋的信号
因此，他们的论文建立了单个稀土离子作为探测其环境中单个核自旋的有价值的探针
“如果你认为可寻址的单核自旋是量子技术中潜在的有用资源，比如量子纠错方案，那么基于单个稀土离子感测它们可以提供对广泛材料的访问，现在可以考虑用于量子应用，”科恩赫尔说
“种类繁多的新材料是基于稀土离子在固态基质中的多功能掺杂，这是一个基于激光物理研究的成熟研究领域
" 这组研究人员最近进行的研究收集了新的重要发现，这些发现可能为利用基于耦合环境核自旋的稀土离子系统开发量子存储器应用开辟新的可能性
在他们未来的工作中，科勒索夫、科恩赫尔和他们的同事们希望研究能够获得核自旋的核自旋初始化
更具体地说，他们计划操纵在最近的研究中检测到的单个核自旋，并在其上实现量子逻辑门
“解释我们的研究成果的一个比喻可能是，我们能够在交通拥挤的街道上(旋转浴缸)听到蚊子非常安静的声音(让它成为一只量子蚊子)。”科勒索夫说
“到目前为止，我们只能听到它的声音，但下一个任务将是控制它的飞行，最终目标是同时控制几只蚊子，通过它们略微不同的声音来区分它们
"
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