環境条件での六方窒化ホウ素における量子コヒーレントスピン

2024-06-03 Mon
量子コヒーレンススピン-フォトンインターフェイス六方窒化ホウ素環境条件欠陥スピン量子センサー層状材料
常温下六方形窒化ホウ素における量子コヒーレンススピンの研究報告序論量子ネットワークとセンサーの実現には、固体スピン-フォトンインターフェース（spin-photon interface）が単一光子生成能力と長寿命のスピンコヒーレンスを備え、スケーラブルなデバイスに統合できる必要があります。理想的には、これらのデバイスは常温環境で動作するべきです。しかし、複数の候補システムで急速な進展が見られる一方で、室温で量子コヒーレンスを保持する単一スピンを持つシステムは依然として非常に稀です。本研究はこの研究のギャップを埋め、層状のバン・デア・ワールス材料—六方窒化ホウ素（hBN）において、常温環境で量子コヒーレンス制御の実現可能性を探ることを目指します。
論文の出所この論文は「A quantum coherent spin in hexagonal boron nitride at ambient conditions」と題され、Hannah L. Sternらによって執筆されました。研究機関はCavendish Laboratory, University of CambridgeおよびUniversity of Technology Sydneyなどが含まれています。この研究は2024年4月2日に《Nature Materials》誌に受理され、近日中にオンラインで発表されます。
研究のプロセス研究対象とサンプルの準備研究対象は六方窒化ホウ素（hBN）における単一光子発生欠陥です。サンプルは金属有機化学気相成長法（MOVPE）によりサファイア基板上に成長させ、炭素源とアンモニアを導入することで欠陥を引き起こしました。炭素源の流速を制御することにより、hBNに単一スピン活性を持つ欠陥を導入しました。
光学測定室温と環境条件下で、自作の共焦点顕微鏡システムを使用して光学測定を行いました。連続波長532ナノメートルのレーザーで励起し、光電検出器（APD）を用いて蛍光を検出するか、または分光器を用いて光励起発光スペクトル測定を行いました。さらに、Hannbury Brown and Twiss干渉計を用いて強度相関測定を行いました。
ODMR測定光学検出磁気共鳴（ODMR）を用いて欠陥のスピン状態を探りました。欠陥に強制場と持続的な磁場を施し、連続波とパルスODMR測定を行い、スピン共鳴周波数およびスピン-格子緩和時間（T1）などのパラメータを取得しました。
実験とデータ解析研究では、ラビ振動やラムゼー干渉など、さまざまな角度解析磁光測定及びマイクロ波干渉測定を用いて、欠陥スピンの動力学的挙動とコヒーレンスを検出しました。動的デカップリングパルス実験はスピンコヒーレンス時間を延長するために使用されました。
主な研究結果基底状態スピントリプレット方向角度解析磁光測定により、六方窒化ホウ素の欠陥が基底状態スピントリプレット（S=1）を持ち、1.96 GHzのゼロフィールドスプリットを持つことが確認されました。複数の欠陥のODMR信号は顕著なコントラストを示し、零磁場下で1.87 GHzと1.99 GHzの二つの共鳴周波数が観察されました。ベクトル磁場依存性のODMR測定により、この欠陥のZ軸がhBN層内の平面内にあることがさらに確認されました。
スピンコヒーレンス時間の測定マイクロ波ラムゼー干渉測定を使用して、単一欠陥の裸の不均一デコヒーレンス時間（T*_2）は約100 nsであることが確認されました。驚くべきことに、磁場がない状況で持続的駆動のラビコヒーレンス時間（T_Rabi）は1 μsを超え、エレクトロニクスピンがその可逆的なデコヒーレンス環境から効果的に分離できることを示しました。
動的デカップリングと保護さらに動的デカップリングパルス実験により、スピンエコーコヒーレンス時間（T_SE）が約200 nsであることが確認され、デカップリングパルスの数が増加するにつれてスピンコヒーレンス時間は1 μsを超えるまで延長されました。コヒーレンス時間とデカップリングパルスの数の間には約0.67のべき乗則関係が見られ、これは中心電子スピンが少数のゆっくりと進化する近接核と結合する状況に対応しています。ODMR信号の細かな構造を通じて、不等価な窒素およびホウ素原子との超微細結合が確認されました。
炭素関連欠陥の化学構造磁場方向と強度に依存するODMRスペクトルを用い、電子スピンと二つの不等価核との超微細結合モデルを組み合わせることで、欠陥の化学構造をさらに解析しました。これらの結果は、この炭素ベースのスピントリプレット欠陥の微細構造を特定するための理論研究に重要な参考を提供します。
研究の結論と意義本研究では、六方窒化ホウ素において常温で動作し、長寿命のスピンコヒーレンスと単一光子発生能力を備えた量子コヒーレンススピン制御が実現されました。この発見は、スケーラブルな量子ネットワークデバイスとセンサーの構築のための新しい材料プラットフォームを提供します。特に量子センサリングの分野では、常温下のスピンコヒーレンスと隣接核との結合の柔軟性により、この欠陥システムは高い潜在能力を持つナノメートル級のセンサーとなります。動的デカップリングによりスピンコヒーレンス時間を延長することで、無磁場と常温環境下で高効率の量子情報処理とセンサリングが期待されます。
研究のハイライトゼロフィールド下でのスピントリプレット実現: 本研究は初めて、ゼロ磁場下で六方窒化ホウ素中のスピントリプレット欠陥の量子コヒーレンス制御を実現しました。
長寿命のスピンコヒーレンス時間: 動的デカップリングパルス実験により、1 μsを超えるスピンコヒーレンス時間が実現され、システムのデコヒーレンス環境に対する保護メカニズムが明らかになりました。
高ODMRコントラスト: ODMR信号は約50%の高コントラストを示し、実際の応用において高感度を発揮します。
ナノメートル級量子センサリングの潜在能力: 研究において、欠陥が表面から最大で15 nmの距離にあることが確認され、ナノメートル級センサーとしての大きな潜在能力が示されました。
今後の研究方向今後の研究では、欠陥の光学特性をさらに最適化し、量子フォトニクスシステムへの統合とナノ構造内でのhBN欠陥の統合を目指し、量子ネットワークとセンサーのスケールアップを実現します。また、この炭素ベースのスピントリプレット欠陥の化学構造と電荷状態の動力学を探ることで、システムの性能と応用の見込みをさらに向上させることが期待されます。
本研究は量子技術分野において新しい方向性を開拓し、常温およびゼロ磁場下で量子コヒーレンスを保持するための材料プラットフォームを提供し、大規模な量子ネットワークと高感度量子センサーの実現に寄与します。