新的实验表明，一个微小的悬浮金刚石可以在强磁场中被磁化，并可像指南针一样在磁场中确定方向。这种感应磁化依赖于原子级缺陷内的自旋。这些有空位缺陷的金刚石的定位能力可以用来提高磁场传感和核磁共振成像的精度。

无瑕疵的钻石(由金刚石制作的宝石)可能会在珠宝店吸引富有的客户，但物理学家对带有一种被称为氮空位(NV))色心的缺陷的金刚石有着敏锐的洞察力。NV色心(也称NV中心)是由一个氮原子和一个相邻的空位(晶体结构中的一个没有原子的位置点)组成。这些缺陷的行为表现得就像是具有束缚自身电子能力的单个原子。研究人员可以使用调谐到特定波长的光来直接操纵NV色心的电子状态。

许多研究人员正在研究可用于量子计算和磁场传感等用途的金刚石NV色心。在一些应用中，金刚石会被放在流体或电场中进行悬浮。挑战在于这些“漂浮”的金刚石往往会摇晃，这使得它们的用处不大。巴黎高等师范学院(ENS)的Gabriel Hétet说：“在很多情况下，金刚石不会自然地指向你想要的方向。”

Hétet和他的同事们找到了一种方法来锁定磁场中金刚石的悬浮方向。该方法建立在最近的实验基础上，在最近的这个实验中，研究人员通过利用微波脉冲激发其NV色心来诱导金刚石磁化。研究人员现在已经证明，他们可以通过用强磁场代替微波来产生类似的效果。

许多类型的材料在放置在磁场中时会被磁化。对于铝等顺磁体，感应场的指向与施加场的方向相同；而对于水等抗磁体，感应场指向相反方向。通常情况下，感应磁化强度很小并且取决于材料内的电子运动。通过操纵NV色心的电子自旋态，Hétet和他的同事能够在金刚石中产生相对较大的抗磁效应。

该团队首先使用电场陷阱悬浮了一个15微米宽、掺杂有氮空位(NV)的金刚石晶体。他们用绿色激光照射金刚石，迫使其氮空位中的电子进入零自旋基态。然后，他们施加了一个磁场，降低了与负自旋相对应的氮空位激发态的能量。研究人员表明，当场足够强时，电子将从零自旋态转移到负单自旋态(negative-one-spin)，从而在金刚石中形成自旋排列和净磁化。该团队使用了基于微波的探针来验证这些预测，该探针可测量金刚石的磁响应。

磁化的类型取决于磁场的强度。低于0.1特斯拉时，金刚石是顺磁性的；超过这个阈值时，它是抗磁性的。在抗磁阶段，金刚石经历扭矩，使其旋转到一个特定的方向，其中NV轴(由氮原子和其相应的空位的位置来定义)与磁场对齐。这个方向是稳定的——如果金刚石受到干扰，基于磁力矩会使它重新对齐。

这种稳定的方向可能会被证明是有用的。Hétet表示，这是对NV旋转进行各种操作的良好起点。一种应用是使用掺杂有NV的纳米金刚石来增强核磁共振成像的对比度或感测活细胞中的磁场。一个更长期的目标是探索宏观金刚石中的量子效应。Hétet解释说，人们可以尝试利用NV自旋和金刚石取向之间的耦合来查看某些自旋的量子性是否转移到了金刚石的运动中。

奥地利量子光学和量子信息研究所的量子科学家Oriol Romero-Isart说：“该论文推进了对悬浮金刚石中NV色心与机械自由度耦合的控制。”其远期目标是使用与金刚石方向耦合的单个NV色心进行量子实验。 他说：“虽然这种控制水平仍然是一个极具挑战性的目标，但Hétet团队的结果表明，我们在朝着这个方向上已取得了进展。”（编译:Qtech）