中国科大实现室温下二维材料固态自旋色心的相干操控

我校郭光灿院士团队在二维材料固态自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺、王轶韬等人与匈牙利魏格纳物理研究中心的Adam Gali教授研究组合作，报道了六方氮化硼（hexagonal boron nitride，hBN）中一类超亮的具有优异光学性质和自旋性质的单自旋色心，并实现了对其在室温下的相干操控。该成果5月20日发表在国际知名期刊《自然•通讯》上。

固态自旋色心是实现量子信息技术的重要体系之一，比较著名的是金刚石中的NV色心，目前已经在量子计算、量子传感、量子网络等方面取得重要进展。近年来，宽禁带材料hBN被证明是自旋色心的优秀宿主，由于其二维特性，在低维量子器件制备、近场传感探测等方面相对于三维体材料有特殊优势，hBN中的自旋色心已成为当前的一个研究热点。

hBN中已发现的自旋色心包括带负电硼空位色心（negatively charged boron vacancy，VB-）和几类与碳相关色心。其中VB-色心是hBN中研究最广泛的自旋色心。李传锋、唐建顺研究组实现了基于VB-色心的温度传感[ACS Photonics 8, 1889 (2021)]，并揭示了其电子自旋与核自旋之间的相干耦合和弛豫机制[Nature Communications 13, 5713 (2022)]。但是由于VB-的量子效率极低，至今仍未能发现VB-的单自旋色心。近期也陆续报道了几种与碳相关的单自旋色心，但是未能演示单自旋色心的相干操控。

本实验中，研究组利用毛细作用力有效地分离出了hBN粉末样品中的单个色心，并通过该方法以85%的几率发现了一类超亮的单自旋色心，比此前观测单自旋色心方法的几率提升了21倍。随后研究组表征了其优异的光学性质，发光具有显著的光子反聚束特征，光子发射率高达25MHz，是目前hBN中已发现单自旋色心中荧光计数最高的。研究组进一步对此单自旋色心进行了室温相干操控，测到了其拉比振荡信号，并进行了自旋回波实验等。这是国际上首次对hBN中的单自旋色心进行室温自旋操控，迈出了利用二维材料自旋实现量子信息应用的重要一步。为明确该色心的结构，研究组进行了第一性原理理论计算，结果表明碳氧掺杂物的复合物可能是这类单自旋色心的来源，CNCB3模型的模拟光谱与光探测磁共振信号与实验结果基本一致。


图：(a)金膜上分离的单个hBN粉末示意图；(b)CNCB3的原子结构图；(c)室温下单自旋色心的光谱信号；(d)单自旋色心的二阶自相关函数测量结果；(e)单自旋色心的偏振测量结果；(f)单自旋色心的饱和功率曲线；(g)单自旋色心的拉比振荡信号。

中科院量子信息重点实验室研究生郭耐杰、博士后刘伟、研究生杨远泽、曾晓东和匈牙利维格纳物理研究中心的博士后李颂为论文共同第一作者。该工作得到了科技部、国家自然科学基金委员会、中国科学院和安徽省的支持。唐建顺感谢中科院青促会和之江实验室开放课题的支持。

文章链接: https://www.nature.com/articles/s41467-023-38672-6