自旋弛豫是磁共振、量子計算和量子傳感中的基礎物理過程，描述量子自旋在受到外界激發(fā)后逐漸失去相干性并恢復平衡的過程。長期以來，科學界通常采用縱向弛豫時間（T1）和橫向弛豫時間（T2）兩個參數對其進行描述，這一模型已廣泛應用于核磁共振、電子順磁共振及量子器件研究。
不過，美國加州大學（University of California）Sophia N. Fricke團隊最新研究發(fā)現，自旋弛豫并非始終能夠由T1、T2兩個獨立參數完整描述。研究表明，在復雜量子控制條件下，控制脈沖的施加順序本身就會改變自旋弛豫行為，為理解量子系統動力學提供了新的理論框架。
研究團隊以含氮空位（NV）中心金剛石中的超極化碳-13（13C）自旋作為實驗平臺。由于NV中心具有優(yōu)異的自旋相干性能、可實現光學讀寫以及高精度量子操控，因此已成為量子計算、量子傳感和精密測量領域最重要的研究體系之一。
實驗中，研究人員設計了不同順序的量子控制脈沖，對比分析了可交換（Commuting）和不可交換（Noncommuting）兩類操作。當控制操作彼此可交換時，實驗得到傳統理論預測的對角弛豫矩陣；而當采用不可交換方向的脈沖序列時，則出現了隨射頻發(fā)射頻率變化的非對角弛豫項。
這一結果說明，自旋弛豫不僅取決于材料本身的物理特性，還受到量子控制路徑、操作方向以及脈沖順序等因素的共同影響。換言之，即使樣品完全相同，僅改變控制序列，也會導致不同的弛豫行為，這意味著傳統T1/T2模型難以完整描述復雜量子控制下的真實動力學。
基于實驗結果，研究團隊提出，應采用李烏維爾空間（Liouville Space）中的弛豫張量（Relaxation Tensor）統一描述自旋弛豫，而非分別使用縱向和橫向兩個弛豫率。研究認為，這一弛豫張量不僅是理論上的數學表示，更是一種能夠通過精心設計的量子控制序列直接測量的物理量。
此外，研究還分析了自旋演化過程中產生的幾何相位（Geometric Phase），進一步證明弛豫過程與量子態(tài)在狀態(tài)空間中的幾何演化密切相關，而不僅僅是能量耗散導致的簡單退相干過程。這意味著，自旋弛豫本質上同時包含幾何效應和耗散效應，兩者共同決定量子系統的演化規(guī)律。
研究人員認為，新的弛豫張量模型能夠更全面地描述量子系統中的自旋動力學，有望提升磁共振實驗的數據解析能力，并進一步優(yōu)化基于金剛石NV中心的量子傳感和量子信息控制技術。同時，該成果也為量子計算、精密測量及自旋量子器件的發(fā)展提供了新的理論基礎，并為未來量子控制策略的設計開辟了新的研究方向。
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