日期：2016-8-1点击：5453
Vanessa Huxter利用超高速激光脉冲研究金刚石内部在十亿分之一秒内所发生的物理变化。
来自美国亚利桑那大学的教授助理Vanessa Huxter领导她的团队，首次利用超高速激光脉冲观察到能量如何在含有氮空位中心(NV)的金刚石内部活动。这一新发现将量子计算技术又向前推进了一大步。
金刚石氮空位中心,即NV指的是金刚石晶体结构中一个氮原子替代两个毗邻的碳原子,并与相邻格点中存在的空位形成氮-空位中心的缺陷特征。金刚石的这种特征能产生科学家意想不到的优越性能并应用于多种先进技术。
该研究成果发表在《自然物理》上，对于研究者更深一步的理解金刚石在量子计算和分子的单原子成像技术等方面的特性有着重要帮助。
“金刚石的这种缺陷有着特殊的光学和电子特性”，Huxter说，“我们可以利用光学方法，例如激光对氮空位缺陷加以操作，将其应用在计算、数据存储、传感和分子结构的成像等技术领域。
英国摄影师Eadweard Muybridge曾提出著名的“运动马”理论（下图所示），开创了高速运动摄像的技术先河。该理论描述了马在奔跑时的高速运动成像过程。Huxter此次主持的超高速激光脉冲原理跟“运动马”的原理就相类似。
为了将激光脉冲技术应用到量子计算领域，首先要对激光脉冲的基础特性有所研究了解。Huxter的团队是第一个实时研究金刚石晶体中超高速动力学的团队。激光脉冲系统中，“振动模式”这一课题非常重要，它决定了系统的局部环境，还有可能用于信息处理。
为理解这一技术概念，研究者首先描绘出了金刚石的晶体结构：一种高度有序排列且重复的三维碳原子晶格。然而，金刚石结构中的碳原子不是按照常规排列方式聚合在一起的，而是来回的摇摆振动，像是一串串的穿在细绳上。当氮空位缺陷中断这些统一的碳晶格时，振动特性便发生变化，从而通过激光脉冲来操作控制。
实验利用激光束将高能量输送并穿过金刚石内部，激光脉冲将氮空位中心的电子撞击到了一个更高的能量量级，即物理学中所说的激发态。一段时间后，电子在松弛效应下又恢复到了基态，并将能量耗散至周围。
电子的松弛效应仅有十亿分之一秒，持续时间极短；为方便观察振动对系统的超快松弛的影响，Huxter的团队利用了超高速激光脉冲技术。
能量是如何穿过金刚石晶体，又是如何影响氮空位中心附近的振动，弄清楚这两点对于如何利用激光脉冲技术至关重要。而此前，该技术尚未被攻破。
“这是我们首次直接观察到实时的振动光谱”， Huxter说。研究者利用二维电子光谱技术创造了一个二维关联的“地图”，方便观察整个系统是如何从激发态松弛恢复到基态的。
以分子、原子的尺寸将能量穿行金刚石的整个过程以超高速成像的技术慢化、清晰化，就可以观察到能量在整个系统中的穿行过程并为每个细节拍照；同时还能观察到能量从哪里输入，从哪里输出。
在超快光谱技术领域，十亿分之一秒可以说就是一百年的时间，Huxter打了个比喻。借助激光脉冲有着毫微微秒的时间分辨率，即一秒的十亿分之一的一百万分之一，科学家们借此得以清晰地观察到氮空位中心附近的原子振动。这些振动在毫微微秒内有着量子相干性。
目前，Huxter还在探索将金刚石晶体中的原子替换掉会有何反应，其原有的特性是否会发生变化。
在Huxter的实验方案中，金刚石就像是一扇透明的窗户，从中可以清晰的观察到氮空位缺陷，而科学家们正是利用激光脉冲完成了氮空位缺陷的能量吸收。（编译自"Flawed diamonds: Gems for new technology"）
