2026年4月13日——传感器性能的关键因素在于系统受干扰或测量后恢复初始状态的速度，类似于天平归零的过程。在这项研究的量子传感器中，这对应于电子从高能激发态到基态的跃迁。然而电子会短暂停留在某种“亚稳态中间态”中。维尔茨堡大学物理学家团队首次在二维材料中直接测量出这种“等待时间”：精确为24纳秒。

这一发现对量子技术尤为重要。它能显著提升原子传感器的精度，为未来医疗诊断等技术铺路。该研究由维尔茨堡大学实验物理VI教研室主任弗拉基米尔·迪亚科诺夫教授主导，成果发表于《科学进展》期刊。

缺陷构筑量子传感器基石

背景：现代量子技术中，固体材料的原子缺陷是精密测量仪器的基础。长期以来，金刚石因其三维晶体结构能有效屏蔽外界干扰，被视为量子传感器的标准材料。当碳原子完美晶格中出现空缺时，这种缺陷就成为可用激光和微波调控的微型量子传感器。

但三维金刚石晶格中，传感器缺陷与被测对象的距离较远，会削弱信号强度。维尔茨堡团队研究的六方氮化硼（hBN）则不同——这种单原子层构成的二维材料能实现原子级精确定位。“与三维晶体相比，hBN可将自旋缺陷精准布置在超薄原子层中，”迪亚科诺夫解释道。这使得被测距离大幅缩短，相互作用显著增强。带负电的硼缺陷尤其具有前景，它们能在室温下实现光学寻址。

电子滞留的“停车模式”

光学激发后系统返回基态的速度至关重要。形象地说，电子在返回基态前会短暂停留在“亚稳态中间态”——如同停车场或等候室，这限制了测量周期序列。此前关于该中间态的认识主要基于理论模拟，而维尔茨堡团队首次通过实验直接测得其寿命。

“室温下精确为24纳秒，液氦温度下寿命近乎翻倍。我们采用激光频闪技术对系统进行快照捕捉，”负责实验的博士生保罗·康拉德解释道。这种直接实验验证为专家提供了重要依据，使传感器控制能与材料自然动力学精确匹配。

智能时序提升效率

量子传感器灵敏度很大程度上依赖“相干控制”——即精确调控量子态的能力。研究人员证实，优化时序管理能显著提升控制效率。通过在激光激发与微波调控间插入150纳秒的延迟，确保中间态“等候室”完全清空，所有电子均处于可测量的基态。

优化结果显示：“测量结果对比度提升近26%，系统整体灵敏度提高约11%，”迪亚科诺夫指出。这种提升源于调整后的时序能同时寻址更多自旋态。“随着参与自旋数增加，清空'停车场'直接带来了更精确的测量结果，”物理学家总结道。

展望下一代量子传感器之路

这些发现为基于二维材料的量子传感器发展迈出重要一步。关于中间态寿命的认知，如今能用于设计更复杂测量方案或新型二维异质结构。尽管取得进展，技术挑战犹存。hBN的磁性环境比金刚石更复杂，其100%磁性同位素的核自旋会缩短传感器相干时间。未来研究需寻找进一步减小环境干扰的方法。