前言：發表在物理期刊PRL

近日，南洋理工大學高煒博教授團隊在物理學頂級期刊 《Physical Review Letters》 上發表了題為“Room-Temperature Electrical Readout of Spin Defects in van der Waals Materials”的重要研究成果。

該團隊成功實現了對范德華材料（van der Waals, vdW materials）中自旋缺陷（spin defects）的室溫電學讀出（electrical readout）。在這項極具挑戰性的實驗中，Zurich Instruments 的 MFLI 鎖相放大器（lock-in amplifier）憑藉其卓越的低雜訊電訊號測量能力，成為探測微弱電學探測磁共振（Photocurrent Detected Magnetic Resonance, PDMR）訊號的核心利器。

 

背景：為何「電學讀出」如此重要？

自旋缺陷（spin defects）是量子計算（quantum computing）與量子感測（quantum sensing）的重要基石。長期以來，金剛石 NV center的光檢測磁共振（Optically Detected Magnetic Resonance, ODMR）是主流技術。

然而，對於高度整合的量子晶片（quantum chips），傳統的光學讀出（optical readout）設備體積龐大且整合度低。

相比之下，電學探測磁共振（Photocurrent Detected Magnetic Resonance, PDMR）直接透過電流訊號（current signal）讀取自旋狀態（spin state），具有晶片級整合、高空間解析度，以及不受光學背景（optical background）干擾的獨特優勢。

但在室溫下，vdW 材料的電訊號極其微弱，容易淹沒在巨大的熱雜訊（thermal noise）和1/f 雜訊（1/f noise）中，這對探測設備的靈敏度提出了近乎苛刻的要求。

實驗方案：MFLI 如何捕捉微弱訊號？

在本次 PRL 研究中，作者搭建了一套高靈敏度光電聯合探測系統（optoelectronic detection system）。

雷射激發產生光電流（photocurrent），微波（microwave, MW）驅動自旋躍遷（spin transition），產生的微小電流變化透過 MFLI 進行鎖相同步檢測（lock-in detection）。

圖片改編自https://arxiv.org/abs/2511.08874

 

關鍵實驗設置：

1. 微弱電流提取

實驗中與自旋（spin）相關的電流變化通常在pA以下等級。MFLI 精密前端（precision front-end）提供極低的輸入雜訊（input noise），確保訊號的初始品質。

2. 頻率調變技術（frequency modulation）

為了規避直流（DC）附近的低頻雜訊，團隊對微波訊號進行開關調變，並將MFLI 的解調參考頻率（demodulation reference frequency）鎖定在調變頻率上。

3. 高階濾波與穩定

利用 MFLI 的 8 階低通濾波器（8th-order low-pass filter）與較長的時間常數（time constant）設定，成功將訊雜比（signal-to-noise ratio, SNR）提升至可檢測水準，從而在室溫下捕捉到清晰的 PDMR 譜線（PDMR spectrum）。

核心成果：PDMR 與 ODMR 的完美對應

透過 MFLI 採集到的數據，研究團隊發現 PDMR 譜線與傳統 ODMR 譜線在頻率位置上完全對應，且PDMR 的對比度（contrast）顯著優於 ODMR。

這意味著，電學讀出（electrical readout）不僅可行，而且在某些維度上表現更佳。

圖中顯示 PDMR 訊號與光電流（photocurrent）對偏壓電壓（bias voltage）及雷射功率（laser power）的依賴性。
 

圖片來源：https://arxiv.org/abs/2511.08874

 

這一突破證明，在 六方氮化硼（hexagonal boron nitride, hBN）等二維材料（2D materials）中，自旋狀態可以透過自旋相關光電流（spin-dependent photocurrent）進行高保真讀出。

應用科學家視角：為什麼選擇 MFLI？

作為 Zurich Instruments 的應用科學家，我們深知在量子感測實驗（quantum sensing experiments）中，「速度與精度的平衡」是關鍵。MFLI完全可以提供優秀且方便的性能。

一體化整合

MFLI 不僅是一台鎖相放大器（lock-in amplifier），還整合了示波器（oscilloscope）、頻譜分析儀（spectrum analyzer）與資料採集模組（data acquisition module, DAQ）。研究人員可以利用 DAQ 模組快速捕捉不同測試參數下的多組解調資料（demodulated data）。

低頻性能

由於 PDMR 的調變頻率（modulation frequency）通常在 kHz 等級，MFLI 在低頻段極低的偏壓漂移（bias drift）能確保長時間頻率掃描（frequency sweep）過程中的基線穩定（baseline stability）。

測量自動化

透過 zhinst-toolkit，使用者可以撰寫 Python 腳本自動控制微波源頻率掃描（microwave source frequency sweep）與 MFLI 資料採集（data acquisition）同步進行，大幅提升實驗效率。

結語

南洋理工大學團隊的這項成果為 2D quantum devices 的 electrical integration 鋪平了道路。非常榮幸 MFLI 能夠協助科研人員探測到這些「幽靈般」的 spin signals。想了解如何優化您的 ultra-low current detection experiment？

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參考文獻

Ru, S., An, L., Liang, H. et al.Room-Temperature Electrical Readout of Spin Defects in van der Waals Materials.Physical Review Letters, 131 (2025).

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