金刚石--------中国科大发展应变工程调控自旋极化新方法

中国科学技术大学自旋磁共振实验室王亚、王孟祺团队在高压物理与量子传感交叉领域取得重要进展。团队针对极端压力下金刚石氮空位（NV）色心量子探针失效机理开展研究，首次通过实验揭示了应变对自旋-光学动力学的调控机制，并基于该机制在纳米尺度实现了自旋极化反转。研究成果发表于《物理评论快报》。

核心观点与背景
极端压力是调控物质状态的关键手段，但高压环境下原位微观磁学表征技术匮乏，长期制约对材料量子行为的理解。金刚石NV色心因其与金刚石对顶砧的高度兼容性和纳米尺度磁探测能力，成为高压原位表征的重要工具。团队此前发展了晶向应力调控技术，将NV色心稳定工作压力提升至百万大气压（100GPa）以上，并揭示了矿物在高压下的磁性转变。

研究方法与发现
团队创新发展了光探测磁共振局域应力场测量与皮秒精度荧光动力学测量的协同表征技术，系统阐明了应变对NV色心自旋-光学动力学的调控机制。研究发现，强对称性破缺应变通过以下两个协同效应实现自旋极化反转：

1. 激发态自旋混合：应变抑制激发态上系间窜越（ISC）过程的自旋选择性，相当于松开自旋极化的“原有固定”；
2. 单重态跃迁分支改变：应变显著改变单重态回到基态的ISC跃迁分支比，使系统更倾向于向极化反转状态布居，相当于为自旋极化“重新定向”。

基于该机制，团队通过精准构筑局域应变梯度场，在纳米尺度区域内实现了应力梯度诱导的可控自旋极化“拧转”。

研究结论与意义
该成果突破了传统光子学调控方案的技术瓶颈，为自旋系统的局域量子操控与纳米尺度量子相干调控提供了新方法，也为极端压力下设计应力调控的高性能量子探测手段奠定了基础。研究由刘志贤、孙家豪、徐甘雨等博士生主导，王亚教授、王孟祺副教授为通讯作者，获国家自然科学基金等支持。论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/by4s-xbbn。