基于金刚石NV色心的单分子电子-振动耦合效应探测及其应用研究

结题报告
项目介绍
AI项目解读

基本信息

  • 批准号:
    11805040
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万
  • 负责人:
  • 依托单位:
  • 学科分类:
    A2502.量子物理与量子信息
  • 结题年份:
    2021
  • 批准年份:
    2018
  • 项目状态:
    已结题
  • 起止时间:
    2019-01-01 至2021-12-31

项目摘要

Vibronic interaction is a very important coupling mechanism in condensed matter physics and structural chemistry. Since the signal provided by the single-molecule’s vibronic coupling is extremely weak, the conventional magnetic resonance technique can only obtain the average properties of the macrocosm (hundreds of millions of samples) and thus can not observe the vibronic coupling at single-molecule level. In view of the excellent sensitivity of nitrogen-vacancy (NV) color center in diamond, this project aims to study the detection of single-molecule’s vibronic coupling effect by NV color center and its applications. The main research work includes proposing a theoretical scheme of real-time detection of the vibronic coupling effect of the single molecule in the inner surrounding environment by using the NV color center. Then we will show how to detecting rotational vibronic coupling effect of external molecule. Based on these, a scheme for monitoring the motion of external molecule in real-time by the NV center-based magnetic resonance technology will be proposed. Finally, we will develop a new kind of nano-scale thermometer which is based on the real-time detection of the single-molecule Jahn-Teller effect. Most of the practical factors will be considered in detail, such as the preparation of the sample, the width of microwave pulse, the temperature and the spin relaxation. The results not only provide a direct theoretical basis for experimentally observing the vibronic coupling effect of single molecule, but also offer a new method for accurately measuring the temperature and detecting the motion of single molecule, which might help people to understand and explore the mechanisms of life and material science at single-molecule level.
电子-振动相互作用是凝聚态物理和结构化学中一种非常重要的耦合机制。因为单个分子的电子-振动耦合效应所提供的信号极其微弱,传统的磁共振技术无法观测到单分子的电子-振动耦合效应。鉴于金刚石NV色心灵敏的探测能力,本项目拟研究NV色心在探测单分子层次的电子-振动耦合效应方面的应用。提出一种利用NV色心探测金刚石内部单分子电子-振动耦合效应的理论方案;并推广到金刚石外部单分子转动电子-振动耦合效应的探测;在此基础上开发一种利用NV色心实时探测单分子运动的新技术;探索基于单分子动态Jahn-Teller效应的监测来实现温度灵敏探测的新方法;所有方案都将充分考虑样品制备、脉冲宽度、环境温度和自旋驰豫等因素的影响。本项目的研究结果不仅有望为实验观察单分子电子-振动耦合效应提供直接的理论依据,也有望为量子精密测量和探测单分子运动提供新思路,有助于人们从单分子层次认知和探索生命和物质科学的机理。

结项摘要

金刚石氮空位中心系统具有良好的稳定性和生物兼容性,其基态哈密顿量中包含了丰富的物理探测资源。本项目发展了基于单个金刚石氮空位中心系统的量子精密测量技术,提出了基于时变脉冲波形的自旋读出序列方法提高金刚石氮空位中心的电子自旋读出效率的可行方案;利用单个金刚石氮空位中心实现了对周围环境自旋中的电子振动耦合效应的实时观测;将周期性量子控制与自适应技术相结合,构建了一种能提高检测弱耦合量子物体的精度的自适应周期调控方法。此外,还研究了远程量子精密测量的精度与噪声之间的关系,提出了利用弱测量及环境辅助测量技术增强远程量子精密测量精度,完美恢复原来的量子Fisher信息的理论方案,使得远程量子参数估计的精度免于振幅阻尼噪声的干扰。最后,研究了关联噪声下的量子密集编码问题,揭示了关联振幅阻尼噪声对量子密集编码容量的影响,提出了利用弱测量及环境辅助测量技术增强密集编码容量的方法。充分展示了弱测量量子反馈控制技术在量子信息处理中的强大应用前景。项目的研究取得一些具有创新性的研究成果,在国内外高级学术刊物发表SCI论文4篇。项目负责人参加国内外学术会议6次,作学术报告2次,获省自然科学奖一项,培养研究生2名。项目的研究成果一方面为实验观察单分子电子-振动耦合效应提供直接的理论依据,有助于人们从单分子层次认知和探索生命和物质科学的机理。另一方面也为远程量子精密测量和量子调控提供新思路。

项目成果

期刊论文数量(4)
专著数量(0)
科研奖励数量(1)
会议论文数量(0)
专利数量(0)
Weak Measurement-Assisted Coherence Enhancement with Initial System-Environment Correlation
具有初始系统环境相关性的弱测量辅助相干性增强
  • DOI:
    10.1007/s10773-019-04305-2
  • 发表时间:
    2020
  • 期刊:
    International Journal of Theoretical Physics
  • 影响因子:
    1.4
  • 作者:
    Xiao Xing;Lian Yuxiang;Li Yan-Ling
  • 通讯作者:
    Li Yan-Ling
Enhanced Superdense Coding over Correlated Amplitude Damping Channel
相关幅度阻尼通道上的增强型超密集编码
  • DOI:
    10.3390/e21060598
  • 发表时间:
    2019
  • 期刊:
    Entropy
  • 影响因子:
    2.7
  • 作者:
    Li Yan Ling;Wei Dong Mei;Zu Chuan Jin;Xiao Xing
  • 通讯作者:
    Xiao Xing
Enhancing the teleportation of quantum Fisher information by weak measurement and environment-assisted measurement
通过弱测量和环境辅助测量增强量子费希尔信息的隐形传态
  • DOI:
    10.1007/s11128-021-02998-1
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Quantum Information Processing
  • 影响因子:
    2.5
  • 作者:
    Li Yan-Ling;Sun Fengxiao;Yang Jing;Xiao Xing
  • 通讯作者:
    Xiao Xing
A pulsed time-varying method for improving the spin readout efficiency of nitrogen vacancy centers
提高氮空位中心自旋读出效率的脉冲时变方法
  • DOI:
    10.1088/1361-6463/ac1191
  • 发表时间:
    2021
  • 期刊:
    Journal of Physics D: Applied Physics
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    Lixia Xu;Pengcheng Fan;Mingxin Li;Guodong Bian;Jixing Zhang;Chang Xu;Yuchen Liu;Heng Yuan;Sigang Xia;Tianzheng Liu;Xing Xiao
  • 通讯作者:
    Xing Xiao

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其他文献

Mixed-state entanglement in noninertial frames
非惯性系中的混合态纠缠
  • DOI:
    10.1088/1751-8113/44/14/145306
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    Journal of Physics A-Mathematical and Theoretical
  • 影响因子:
    2.1
  • 作者:
    肖兴;方卯发
  • 通讯作者:
    方卯发
Distributed quantum computation with superconducting qubit via LC circuit using dressed states
通过使用修饰态的 LC 电路使用超导量子位进行分布式量子计算
  • DOI:
    10.1088/1674-1056/20/2/020305
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    Chinese Physics B
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    吴超;方卯发;肖兴;李艳玲;曹帅
  • 通讯作者:
    曹帅
Protecting the squeezing of a two-level system by detuning in non-Markovian environments
通过在非马尔可夫环境中失谐来保护两级系统的挤压
  • DOI:
    10.1021/acs.analchem.7b02329
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    Physica Scripta
  • 影响因子:
    2.9
  • 作者:
    肖兴;方卯发;胡严明
  • 通讯作者:
    胡严明
Conservation issue of pairwise quantum discord and entanglement of two coupled qubits in a two-mode vacuum cavity
双模式真空腔中两个耦合量子位的成对量子不和谐和纠缠的守恒问题
  • DOI:
    10.1088/1674-1056/20/5/050302
  • 发表时间:
    2011
  • 期刊:
    Chinese Physics B
  • 影响因子:
    1.7
  • 作者:
    陈秋英;方卯发;肖兴;周湘峰
  • 通讯作者:
    周湘峰
Fas凋亡抑制分子FAIM1表达缺失诱发单纯性肥胖的初步研究
  • DOI:
    --
  • 发表时间:
    2017
  • 期刊:
    中国生物工程杂志
  • 影响因子:
    --
  • 作者:
    李艳伟;马义;韩磊;肖兴;党诗莹;文涛;王得华;范志勇
  • 通讯作者:
    范志勇

其他文献

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课题项目:调控A型流感病毒诱导IFN-β表达的机制研究

AI项目摘要:

本研究聚焦于TRIM2蛋白在A型流感病毒诱导的IFN-β表达中的调控机制。A型流感病毒是全球性健康问题,其感染可导致严重的呼吸道疾病。IFN-β作为关键的抗病毒因子,其表达水平对抗病毒防御至关重要。然而,TRIM2如何调控IFN-β的表达尚未明确。本研究假设TRIM2通过与病毒RNA或宿主因子相互作用,影响IFN-β的产生。我们将采用分子生物学、细胞生物学和免疫学方法,探索TRIM2与A型流感病毒诱导IFN-β表达的关系。预期结果将揭示TRIM2在抗病毒免疫反应中的作用,为开发新的抗病毒策略提供理论基础。该研究对理解宿主抗病毒机制具有重要科学意义,并可能对临床治疗流感病毒感染提供新的视角。

AI项目思路:

科学问题:TRIM2如何调控A型流感病毒诱导的IFN-β表达?
前期研究:已有研究表明TRIM2参与抗病毒反应,但其具体机制尚不明确。
研究创新点:本研究将深入探讨TRIM2在IFN-β表达中的直接作用机制。
技术路线:包括病毒学、分子生物学、细胞培养和免疫检测技术。
关键技术:TRIM2与病毒RNA的相互作用分析,IFN-β启动子活性检测。
实验模型:使用A型流感病毒感染的细胞模型进行研究。

AI技术路线图

        graph TD
          A[研究起始] --> B[文献回顾与假设提出]
          B --> C[实验设计与方法学准备]
          C --> D[A型流感病毒感染模型建立]
          D --> E[TRIM2与病毒RNA相互作用分析]
          E --> F[TRIM2对IFN-β启动子活性的影响]
          F --> G[IFN-β表达水平测定]
          G --> H[TRIM2功能丧失与获得研究]
          H --> I[数据收集与分析]
          I --> J[结果解释与科学验证]
          J --> K[研究结论与未来方向]
          K --> L[研究结束]
      
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