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香港中文大學物理系楊森教授與吳瑞權教授攜手率領研究團隊，利用納米金剛石中的色心（color center）來研究量子材料在極端條件下的性質。由于色心對磁場非常敏感，這使研究人員能夠在低溫（高于絕對零度7度）和高壓（約數萬倍大氣壓力）的情況下，獲得超導體的磁場性質。這項嶄新的技術為研究量子材料提供了新的渠道。研究成果已刊登于國際著名學術期刊《科學》雜志，同期另有兩篇相關研究由巴黎大學和加州大學伯克利分校發表。

量子材料研究與量子信息科學的耦合

為推進第二次量子革命，加深對量子材料的認識尤為重要。量子材料通常在極低溫條件下會展現出一些奇特的性質，例如超導現象等。超導體除了電阻為零外，還會排斥內部的磁場，這種現象叫做邁斯納效應。這些現象只會在低溫條件下發生。如果我們能找到一些材料即使不在低溫下也能展現超導性質，將會帶來革命性的變化。最近，科學家發現LaH10-δ在相對高溫下（約260K/-13°C），大約是地球冬天的溫度，依然能夠保持超導特性，盡管這個材料需要被加壓到兩百萬倍的大氣壓力。由此可見，將材料在低溫條件下加高壓能夠改變和調控電子之間的相互作用，從而使我們能夠探索量子材料的性質。但是，要將傳統的電路放在壓力腔內用作磁性測量是一項十分困難的任務。正因如此，楊森教授與吳瑞權教授攜手合作，以楊教授在量子測量和量子光學領域的專長，和吳教授在極端物理領域的豐富經驗，和希望共同解決眼前這個難題。

色心是一種晶體缺陷，而在金剛石中的色心則能夠成為高效的量子傳感器件，它極有希望在未來眾多的量子科技當中占據重要的一席之地。其中，帶負電的氮空位色心（NV-）是最有希望的一種色心。這種色心也是金剛石中最常見的一種缺陷，它使得金剛石略微帶有粉色或黃色。這些NV-色心對電場、磁場、力和溫度非常敏感，在高壓腔下也能精準地測量局域磁場。所以，中大的研究人員想利用NV-色心這個微觀量子傳感器件來研究材料在高壓下的性質。材料會在進入超導態時具有完全抗磁性從而排斥所有內部的磁場。利用這一點，研究人員通過金剛石顆粒（約1微米）和NV-色心的特性，將超導體附近的磁場精確地測量出來。中大研究組巧妙的利用NV色心的特性，不僅測出了磁場的大小，更是首次在這種極端環境測出了磁場的矢量，更直觀的展現了邁斯納效應。

對社會的影響 

NV-色心除了能夠測量磁場外，還能夠測量電場和力。所以，這項技術可以用于研究材料的不同性質。最終，我們期望這項技術會更新量子材料現有的設計方案，并且能夠得到社會各界的廣泛應用。這項嶄新的測量技術也能夠提升香港計量學和高精度測量界的技術水平。

關于研究團隊

楊森教授的團隊主要研究固態體系中的量子信息科學，包括量子計算、量子通訊和量子測量。其團隊利用NV-色心的特性在不同場景下展開應用，包括快速操縱并精確測量自旋態，制作光學量子寄存器用作量子信息處理，建立光量子網絡和測量強關聯電子體系的超導性質和磁學性質。

吳瑞權教授的團隊主要研究極端條件下強關聯電子體系的性質，例如在高壓，強場和低溫等環境下來研究強關聯電子體系（SCES）的組成、磁學性質和電子傳導機制。其實驗室擁有先進的液氦稀釋制冷機和產生強磁場的裝置，能夠將樣品降溫至幾mK并且對其施加最大達到14T的磁場。這使得團隊成員能夠測量單晶材料的量子振蕩現象和費米面形態。

這次研究使用的高品質單晶樣品BaFe2(As,P)2是由京都大學和東京大學的團隊所提供。

香港中文大學和大學教育資助委員會資助本研究香港的部分。

三篇文章鏈接如下：

CUHK: doi:10.1126/science.aaw4278

Paris: doi:10.1126/science.aaw4329

Berkeley: doi:10.1126/science.aaw4352

鉆石除了裝飾，現在已經開始成為科研的新的利器

中大團隊成員：（從左到右）楊森，葉景佑，何健安，余經燿，陳旸，張威，吳瑞權

實驗示意圖，邁斯納效應示意圖，以及測量的樣品附近不同位置的磁場矢量隨著溫度的變化圖。