利用纳米级磁共振成像实现近邻自旋的量子控制

凝聚态系统中单个自旋的量子控制是一个新兴领域，在自旋电子学、量子计算和灵敏磁力测定中具有广泛的应用。最近的实验已经证明，能够通过光学或电学技术寻址和操纵单个电子自旋。然而，将单个自旋控制扩展到纳米级多电子系统是一个挑战，因为现有方法通常无法分辨单个自旋。在这里，我们证明，通过对近邻电子自旋执行单自旋磁共振成像(MRI)，可以实现具有几纳米分辨率的相干单自旋控制，这是通过一个扫描磁场梯度实现的，该梯度既足够强以实现纳米级空间分辨率，又足够稳定以进行相干自旋操纵。我们将这种扫描场梯度MRI技术应用于金刚石中氮-空位(NV)中心的电子自旋，并在成像、表征和操纵单个自旋方面实现了纳米级分辨率。对于NV中心，我们在单自旋控制方面的结果表明，与传统的光学衍射极限技术相比，空间分辨率提高了近两个数量级。这种扫描场梯度显微镜能够实现广泛的应用，包括材料表征、自旋纠缠和纳米级磁力测定。