室温条件下六方氮化硼中的量子相干自旋
用于常温下六方氮化硼中量子相干自旋的研究报道
引言
量子网络和传感器的实现，需要固态自旋-光子接口（spin-photon interface）具备单光子产生能力和长寿命的自旋相干性，并能在可扩展的设备中集成，理想情况下，这些设备应在常温环境下操作。然而，尽管在多个候选系统中取得了快速进展，但能够在室温下保持量子相干单自旋的系统仍然非常罕见。这项研究旨在填补这一研究空白，探讨在层状范德华材料——六方氮化硼（hBN）中，实现常温环境下量子相干控制的可行性。
论文来源
这篇论文题为“A quantum coherent spin in hexagonal boron nitride at ambient conditions”，由Hannah L. Stern等人撰写，研究机构包括Cavendish Laboratory, University of Cambridge以及University of Technology Sydney等。该研究于2024年4月2日被《Nature Materials》期刊接受，并即将在线发表。
研究流程
研究对象与样本制备
研究对象是六方氮化硼（hBN）中的单光子发射缺陷。样本由金属有机化学气相沉积法（MOVPE）在蓝宝石基底上生长，使用碳源和氨气引入缺陷。通过控制碳源的流速，可以在hBN中引入具有单自旋活性的缺陷。
光学测量
在室温和环境条件下，使用自制共焦显微镜系统进行光学测量。利用连续波532纳米激光进行激发，并通过光电探测器（APD）探测荧光，或通过光谱仪进行光致发光光谱测量。此外，采用Hannbury Brown and Twiss干涉仪进行强度关联测量。
ODMR测量
光学检测磁共振（ODMR）用于探测缺陷的自旋态。通过对缺陷施加强制场和持续的磁场，进行连续波和脉冲ODMR测量，获取其自旋共振频率以及自旋-晶格弛豫时间（T1）等参数。
实验与数据分析
研究中使用了一系列角度解析的磁光测量及微波干涉测量，包括拉比振荡，Ramsey干涉等，以检测缺陷自旋的动力学行为和相干性。动态去耦合脉冲实验用于延长自旋相干时间。
主要研究结果
基态自旋三重态
通过量角度解析的磁光测量，确定了六方氮化硼中的缺陷具有基态自旋三重态（S=1），具有1.96 GHz的零场分裂。多种缺陷的ODMR信号显示出显著的对比度，并且观测到零场下两个明显的共振频率，分别为1.87 GHz和1.99 GHz。通过矢量磁场依赖的ODMR测量，进一步确认了该缺陷的Z轴在hBN层中的平面内。
自旋相干时间的测量
使用微波Ramsey干涉测量确定了单个缺陷的裸不均匀去相干时间（T*_2）约为100 ns。令人惊讶的是，在没有磁场的情况下，持续驱动的拉比相干时间（T_Rabi）超过了1 μs，这表明电子自旋可以有效地从其可逆的退相干环境中分离出来。
动态去耦合及保护
进一步的动态去耦合脉冲实验显示了自旋回声相干时间（T_SE）约为200 ns，并且随着去耦合脉冲的增加，自旋相干时间可延长至超过1 μs。相干时间与去耦合脉冲数量之间呈现近0.67的幂律关系，符合理论预测，即中心电子自旋与少数缓慢演变的邻近核耦合的情形。通过ODMR信号的细结构，确认了与少数不等价的氮和硼原子的超精细耦合。
碳相关缺陷的化学结构
通过磁场方向和强度依赖的ODMR光谱，结合电子自旋与两个不等价核的超精细耦合模型，进一步解析了缺陷的化学结构。这些结果为理论研究提供了重要的参考，旨在确定这一碳基自旋三重态缺陷的微观结构。
研究结论及意义
该研究在六方氮化硼中实现了可在常温下操作的、具有长寿命自旋相干性和单光子发射能力的量子相干自旋控制。这一发现为构建可扩展的量子网络设备和传感器提供了新的材料平台。特别是在量子传感方面，常温下的自旋相干性和与邻近核耦合的灵活性使这一缺陷系统成为高潜力的纳米级传感器。通过动态去耦合延长自旋相干时间，有望在无磁场和常温环境下，实现高效的量子信息处理和传感。
研究亮点
- 零场下实现自旋三重态：该研究首次在零磁场下实现对六方氮化硼中自旋三重态缺陷的量子相干控制。
- 长寿命自旋相干时间：通过动态去耦合脉冲实验，实现超过1 μs的自旋相干时间，揭示了系统在退相干环境中的保护机制。
- 高ODMR对比度：ODMR信号显示出接近50%的高对比度，使其在实际应用中具备高灵敏度。
- 纳米级量子传感的潜力：研究中确定的缺陷距离表面最多15 nm，显示了其作为纳米级传感器的巨大潜力。
后续研究方向
未来的研究应进一步优化缺陷的光学品质，通过集成量子光子学系统和在纳米结构中集成hBN缺陷，实现量子网络和传感器的规模化部署。同时，探索和解析该碳基自旋三重态缺陷的化学结构和电荷态动力学，有助于进一步提升系统的性能和应用前景。
本研究在量子技术领域开辟了新的方向，提供了在常温和零磁场下保持量子相干性的材料平台，以实现大规模量子网络和高灵敏度量子传感器。