摘要
关键词
- 自旋检测 (Spin detection)
- 微波光子 (Microwave photons)
- 荧光信号 (Fluorescence signal)
- 超导量子器件 (Superconducting quantum devices)
- 磁共振光谱 (Magnetic resonance spectroscopy)
研究背景
自旋检测是量子技术和显微镜技术的核心研究方向之一。然而，传统方法主要依赖于相干回波信号，而非自旋辐射的自发荧光信号，后者难以捕获，原因包括低辐射衰减速率及缺乏高效的单光子探测器。通过结合超导量子电路和微波谐振器，本研究利用Purcell效应显著提升了自旋辐射速率，并开发了专用的SMPD，实现对自发荧光信号的直接探测，为研究小规模自旋体系开辟了新方向。
创新点
- 首次实现对自旋辐射荧光信号的直接探测，验证其辐射特性。
- 开发并应用基于超导量子器件的SMPD，实现单光子级荧光信号捕获。
- 将SMPD技术拓展至自旋回波检测，展示其多功能性。
- 为磁共振光谱学中的小型自旋体系研究提供了一种创新性方法。
研究内容
本研究以硅基材料中的铋供体自旋为研究对象，通过在17 mT磁场下调节其自旋频率与超导LC谐振器的谐振频率匹配，增强辐射衰减速率。自旋通过一个耦合率为 \(\mathrm{g_0}\) 的高品质谐振器与微波信号线连接，释放的荧光信号被路由至一个基于超导量子器件的单光子探测器（SMPD）。SMPD工作于3步循环模式，包括复位、探测和测量，并展示了高达43%的占空比和53%的单光子探测效率。实验检测到的荧光信号与理论预测一致，进一步利用该系统完成了自旋回波检测、拉比振荡与磁共振光谱测量。研究结果表明，SMPD在提升检测灵敏度和降低暗计数率方面具有巨大潜力，为超灵敏单自旋检测铺平了道路。
(a) 实验示意图。每个自旋与一个频率为 \(\omega_0\)、内损耗率为 \(\kappa_i\) 的谐振腔以耦合强度 \(\mathrm{g_0}\) 耦合。谐振腔通过单端口以速率 \(\kappa_c\) 耦合到传输线，用于施加微波脉冲并将发射的光子路由到SMPD。
(b) 自旋设备示意图。自旋为嵌入富集同位素硅衬底的铋供体，与芯片表面的超导LC谐振腔耦合。磁场 \(\mathrm{B_0}\) 调节最低铋供体频率至谐振腔频率。
(c) SMPD设备及其工作原理示意图。SMPD基于一个超导量子比特，耦合到缓冲、泵浦和废弃端口。
(a) 脉冲序列和自旋动力学。\(\pi\) 脉冲后自旋横向和纵向磁化随时间的变化示意图。
(b) 平均计数率 \(\dot{c}(t_d)\) 随 \(t_d\) 的变化曲线，在施加和不施加 \(\pi\) 脉冲的情况下进行比较。
(c) 在特定时间窗内积分的计数数 \(C\) 的概率分布，分别在施加和不施加 \(\pi\) 脉冲的情况下测量。
(a) Hahn回波脉冲序列及自旋动力学示意图。横向磁化在回波时间复现，发射相干微波信号。
(b) 回波序列中每个时间段的平均计数数 \(c\) 的变化曲线，显示出在预期回波时间的信号增强。
(c) 在回波时间和其他时间段内的计数概率分布，比较信号和噪声水平。
(a) 扫描磁场 \(\mathrm{B_0}\) 时测量的自旋共振线形，使用三种检测方法（同相回波检测、光子计数回波检测和光子计数自发发射检测）。
(b) 自旋驱动脉冲持续时间 \(T\) 与平均信号 \(C_{\text{spin}}\) 的关系，实验数据和模拟结果对比。
(c) Hahn回波序列中回波时间的平均计数数 \(c(2\tau)\) 与第二个脉冲持续时间的关系，实验和模拟结果对比。
(d) 脉冲延迟 \(\tau\) 与回波时间的平均计数数 \(c(2\tau)\) 的关系，拟合结果显示相干时间 \(T_2\)。
结论与展望
本研究展示了SMPD在自旋荧光信号探测中的应用，证明了其在量子感知领域的重要性。通过优化探测效率和降低暗计数率，未来的改进型SMPD将可能实现对单自旋的检测。这一技术的实用性尤为突出，可适用于短相干时间的实际自旋系统，推动磁共振光谱学的发展。
论文直达
原文标题：Detecting spins by their fluorescence with a microwave photon counter
Nature 2021, 600, 434–438.
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