近日，我院人工微结构课题组在金刚石量子精密测量方面取得积极进展，相关成果以“Rotation Sensing of a Trapped Nanoparticle Assisted by Magnetic Field Gradient”为题发表在国际知名物理类期刊《Physical Review Applied》上。该论文的第一作者为我院人工微结构团队2022级博士研究生王绿云，通讯作者为我院苏石磊副教授、闫磊磊研究员、郭海中教授和单崇新教授，郑州大学为第一单位。

物质波干涉仪由于对演化过程中相位的积累具有很高的灵敏度，在量子精密测量领域受到了广泛的关注。其中，Sagnac陀螺仪利用旋转的相对论效应积累两条不同演化路径之间的相位差来进行旋转传感。该干涉仪的两个要点为装置尺寸和灵敏度，其灵敏度与干涉粒子质量成正比例关系。尽管目前原子离子陀螺仪已经提出了许多方案并有一些旋转传感的演示，但该方法并不适用于更大质量的介观纳米金刚石系统。

原子粒子陀螺仪的常用方法是利用锁模脉冲激光器产生的超短脉冲来构建自旋依赖的踢（SDK）使系统波包发生自旋相关劈裂，通过使两不同自旋态波包纠缠态经历不同的演化路径以积累与装置转速相关的相移，实现对装置转速的测量。纳米颗粒通常拥有比原子大8个量级以上的巨大的质量，因而具有更高灵敏度，然而SDK方案不能使如此巨大的粒子产生一个有效的劈裂波包。因此，我们提出了一种替代性的方案，不仅适用于原子离子系统，同样适用于纳米颗粒系统，利用强的磁场梯度驱动自旋相关的位置劈裂来产生更大尺度的薛定谔猫态，该劈裂不受限于光学兰姆迪克条件。我们对在装置旋转引入额外自旋分量的情况下，实现了对物理系统与模型演化算符的精确求解。并根据实际实验可行参数，在悬浮金刚石NV色心纳米颗粒系统实现了S=4.47E-7 rad/sHz^{1/2}的高灵敏度传感，在囚禁钙离子量子系统实现了灵敏度为S=5.657E-6 rad/sHz^{1/2}的高灵敏度传感。相比于SDK方案，该方案针对单粒子系统的灵敏度更高，适用性更广，操作更简单，且经济方面也更具优势，将有助于对固态单纳米颗粒的量子传感的实验探索。

该工作得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划、河南省自然科学基金等基金与项目的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.20.034063