mK温下的精准“窥探”：Attocube低温物镜助力钻石量子器件实现里程碑突破
发布日期：2026-01-26
在量子科技飞速发展的今天，如何在极低温环境下对微观量子系统进行高精度光学测量，成为了实现量子控制与读出的关键挑战。近期，哈佛大学Marko Loncar教授团队在《Nano Letters》上发表了一项重要研究成果[1]：他们在毫开尔文温度下实现了金刚石光声晶体（OMC）中高频声子模式的高Q值测量，为千兆赫兹范围内的金刚石基器件树立了新的基准。并且成功证明了SiV中心自旋的成功初始化和读出，为利用声子作为量子信息载体的可扩展量子网络和系统奠定了基础。
在这项研究中，一项关键技术亮点不容忽视：研究团队采用了专为极低温环境设计的Attocube LT-APO-VISIR低温物镜（NA = 0.82），将其集成于稀释制冷机内部，搭建了一套高分辨率共聚焦显微镜系统(图一所示)。该物镜能够在低于50 mK的极低温条件下稳定工作，实现对单个SiV色心的精准光学激发与荧光收集。
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图一、 集成于稀释制冷机内部的共聚焦显微镜及关键的attocube 低温物镜
一、为什么需要低温物镜？
在量子实验中，温度往往决定了系统的相干性和稳定性。SiV色心的自旋寿命、光学线宽等关键参数都对温度极其敏感。传统的室温物镜无法在制冷机内部直接使用，而Attocube低温物镜则解决了这一难题：它不仅具备高数值孔径（NA=0.82），提供优异的光学收集效率，还能在极低温下保持机械稳定性和光学性能，避免了热胀冷缩带来的焦距漂移问题[2]。
二、低温物镜如何助力量子测量？
通过该物镜，研究团队成功对SiV色心在mK温度下进行了如下测量（图二）：
零声子线（ZPL）光谱测量，观察到清晰的A、C、D光学跃迁；
自旋选择性光致发光激发（PLE）谱，在0.4 T磁场下分辨出Zeeman分裂的四个峰；
自旋寿命（T₁）测量，尽管发现T₁较短（约6.1 μs），但仍验证了自旋初始化与读出的可行性。
这些测量结果为进一步优化器件设计、降低光学加热效应提供了关键数据。
图二、金刚石OMCs的在mK温度下的特性实验
三、未来展望：更高效的量子接口
尽管当前器件中还存在光学加热导致的自旋寿命下降问题，研究团队指出，未来通过设计光学腔共振于SiV的737 nm零声子线，并结合高效的锥形光纤耦合方案，可大幅降低所需激光功率，减少热效应。而低温物镜作为极低温光学测量的核心部件，将继续在钻石量子光子学、自旋-声子耦合等前沿领域中发挥不可替代的作用。Attocube低温物镜的成功应用，不仅推动了金刚石光声晶体的发展，也为极低温下量子器件的精准光学操控树立了新的技术标杆。
四、Attocube 低温物镜如何选型？
Attocube的低温物镜，专门为极端环境设计，可以兼容包含：极低温（低至 mK 级）超高真空 (UHV)和强磁场。
4.1 LT-APO 提供三大系列，满足不同实验需求：
4.2 复消色差范围 (Apochromatic Range)
这是最重要的选型依据。物镜可在指定波段内消除色差，确保不同波长光聚焦于同一焦平面，与普通非球面透镜相比，LT-APO 在宽光谱范围内色偏移极小（< 2 μm），可在不重新对焦的情况下同时清晰采集跨度超过 200 nm 的光谱特征（如荧光侧带、激子共振）
Standard 系列：提供8种光谱波段，覆盖 405 nm – 1580 nm（例如 VIO, VIS, NIR, TELECOM 等）；
LWD 系列：3种版本（VIS, VISIR, NIR）；
ULWD 系列：2种版本（VISIR, NIR）。
4.3 低温物镜的典型应用场景
单光子源光谱采集（如单分子荧光、色心发光）
光致发光激发谱 (PLE)
宽场发光成像
偏振分辨光谱与成像
量子材料研究（如二维半导体、激子物理）
金刚石压腔中的高压光谱研究
参考文献
[1] https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04953 Nano Lett. 2024, 24, 6831−6837
