我国科学家攻克纳米尺度单自旋探测难题
2025年11月27日，中国科学技术大学自旋磁共振实验室王亚教授团队与浙江大学海洋精准感知技术全国重点实验室携手攻关，在纳米尺度量子精密测量领域取得里程碑式突破——首次成功实现噪声环境下纠缠增强的纳米尺度单自旋探测。这一重大研究成果已在线发表于国际顶级学术期刊《自然》，为量子科技在微观领域的应用开辟了全新路径。电子自旋作为微观世界的基本属性，如同无数微小磁针，其排列与相互作用决定了材料的宏观特性，如磁铁磁性、超导体零电阻等。对单个自旋这一物质最基础磁性单元的精准探测，不仅是破解物质特性本质的关键，更是推动单分子磁探测技术与量子科技发展的核心基础。然而，物质中大量自旋的存在让单自旋探测如同在喧闹体育场中捕捉单个声音，背景噪声的干扰成为长期困扰科研界的技术瓶颈。
金刚石氮-空位色心量子传感器凭借纳米级分辨能力和高灵敏磁探测性能，一直是单自旋探测的核心技术选择。此前，合作研究团队已通过长期积累，发展出高精度自旋量子调控技术，并成功利用频谱差异识别带有特殊"标记"的单自旋。但在复杂噪声环境中稳定捕捉任意单个自旋的微弱信号，始终面临着探测灵敏度与空间分辨率的双重挑战。
在材料制备层面，团队运用自主研发的超纯金刚石生长技术与纳米精度定点掺杂技术，成功制备出间距仅5纳米的氮-空位色心对结构，为量子纠缠增强探测奠定了精准的空间基础。探测方法上，研究人员创造性地将一对色心构建为特殊量子纠缠态，使其能够"过滤"远端相同背景噪声，同时协同聚焦并放大近端目标单自旋的独特信号，巧妙化解了信号放大与噪声干扰的矛盾，使空间分辨率提升1.6倍。
此次技术突破达成三大核心进展：一是成功区分并探测到相邻的两个"暗"电子自旋；二是在嘈杂环境中将探测灵敏度提升至单传感器水平的3.4倍；三是实现对不稳定自旋信号的实时监测与主动调控。这一成果不仅实证了量子纠缠在纳米尺度传感中的巨大潜力，更让金刚石量子传感器成为原子层面研究量子材料的强大工具，将为凝聚态物理、量子生物学、化学等领域提供革命性研究手段。同时，相关金刚石氮空位色心的可控制备与量子纠缠调控技术，也为室温金刚石量子计算的实现奠定了关键基础。
据悉，该研究由中国科学技术大学博士研究生周旭、特任副研究员王孟祺担任共同第一作者，杜江峰院士与王亚教授为共同通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部等部门的资助支持。