国际研究正朝着改进用于量子传感器技术的材料前进

诸平

Fig. 1 Coherent manipulation of VB− spin centers in hBN at room temperature.

Fig. 2 Spin-lattice relaxation dynamics of VB− spin centers in hBN.

Fig. 3 Spin-spin relaxation dynamics and nuclear modulation effects.

Fig. 4 CW multifrequency ODMR measurements at T = 300 K.

光活性自旋缺陷（Optically active spin defects）是固态量子信息和传感应用的有希望的候选者。为了在量子应用中使用这些缺陷，需要对其自旋态进行相干操纵。据德国维尔茨堡大学（Würzburg University）2021年4月7日提供的消息，一个由来自维尔茨堡大学、澳大利亚悉尼科技大学（University of Technology Sydney）以及加拿大特伦特大学（Trent University）的科学家组成的研究团队，他们实现了六方氮化硼（hexagonal boron nitride简称hBN）中硼空位中心集合体的相干控制。具体来说，通过应用脉冲自旋共振协议，研究者在室温下测量了18 μs的自旋晶格弛豫时间和2 μs的自旋相干时间。在低温下，自旋晶格的弛豫时间增加了3个数量级。通过应用使自旋态与其不均匀核环境解耦的方法，将光学检测到的磁共振线宽基本上减小到几十千赫兹。相关研究结果——《六方氮化硼自旋缺陷的室温相干控制 》（Room Temperature Coherent Control of Spin Defects in Hexagonal Boron Nitride）于2021年4月2日已经在《科学进展》）（Science Advances）网站发表，详见Andreas Gottscholl, Matthias Diez, Victor Soltamov, Christian Kasper, Andreas Sperlich, Mehran Kianinia, Carlo Bradac, Igor Aharonovich, Vladimir Dyakonov. Room Temperature Coherent Control of Spin Defects in Hexagonal Boron Nitride. Science Advances, 02 Apr 2021: Vol. 7, no. 14, eabf3630. DOI: 10.1126/sciadv.abf3630. https://advances.sciencemag.org/content/7/14/eabf3630

氮化硼是一种技术上令人关注的材料，因为它与其他二维晶体结构高度兼容。因此，它为具有全新特性的人造异质结构或在其上构建的电子设备铺平了道路。

大约一年前，位于德国巴伐利亚州（Bavaria, Germany）的朱利叶斯·马克西米利安大学(JMU)的维尔茨堡物理研究所（Würzburg Institute of Physics at the University of Julius Maximilian简称JMU）的一个研究小组决定，在氮化硼的层状晶体中产生自旋缺陷，也称为立方缺陷（cubic），并对其在实验上进行了识别，获得成功。

最近，由弗拉基米尔·迪亚科诺夫（Vladimir Diakonov）教授领导的一个研究团队，他的博士生Andreas Gottscholl也参与此项研究，和小组负责人Andreas Sperlich博士他们已迈出了重要的下一步。即使在室温下，也能始终如一地控制这种自旋缺陷。研究人员在有影响力的期刊《科学进展》（Science Advances）中报告了他们的发现。尽管发生了大流行疫情，但是并未对这项与澳大利亚悉尼科技大学的一个研究小组以及加拿大的特伦特大学之间进行紧密国际合作造成太大影响。

更精确地测量局部电磁场（More accurate measurement of local electromagnetic fields）

弗拉基米尔·迪亚科诺夫解释说：“具有可控自旋缺陷的材料在用于传感器时，有望实现更精确的局部电磁场测量。” 可能的应用领域是在医学、导航、需要电磁场非接触式测量的地方或在信息技术中的成像。

“我们尚未为此寻求最佳的材料研究，但仍有一些潜在的候选者，”Andreas Sperlich补充说。“我们相信，我们已经找到了一种新候选者，该候选者以其扁平形状而突出，可以提供电子产品中最佳的集成潜力。”

自旋相干时间的限制被巧妙地克服（The limit of spin coherence time is subtly overcome）

所有使用氮化硼的自旋敏感实验均在JMU进行。“我们能够测量特征性的自旋相干时间，确定这些极限，甚至熟练地克服这些极限，”安德烈亚斯·戈茨霍尔（Andreas Gottscholl）博士高兴的说。安德烈亚斯·戈茨霍尔作为一名在读博士研究生，也是上述论文的第一作者。长相干时间是非常需要的，因为要估计量子应用中自旋缺陷的可能性，需要了解自旋相干时间，并最终想要执行复杂的操作。

安德烈亚斯·戈茨霍尔简要解释了该原理。想象一下一个绕轴旋转的陀螺仪。我们已经成功证明了这种微型陀螺仪存在于氮化硼层中。接下来，如何控制陀螺仪。如图所示，在不触摸它的情况下使其以任何角度偏转，最重要的是控制此状态。”

相干时间对相邻原子层敏感地反应（Coherence time reacts sensitively to adjacent atomic layers）

“陀螺仪” （自旋状态）的非接触式操作是通过脉冲高频电磁场和共振微波实现的。JMU研究人员也能够确定“陀螺仪”在一个新方向上停留多长时间。严格来说，偏转角在此处应视为简化图，表明库比特（cubits）可以具有许多不同的状态，而不仅仅是像比特那样的0和1。

这与传感器技术有什么关系？晶体中的直接原子环境会影响受控的自旋状态，并显著减少其相干时间。Andreas Sperlich解释说：“因为我们能够显示出相干对最近原子或核的距离、磁性杂质、温度和磁场的敏感程度，所以我们可以从相干时间的测量结果中推断出库比特环境（Cubit environment）。”

目标:用自旋修饰氮化硼层的电子器件（Goal: Electronic device with spin-decorated boron nitride layer）

JMU团队的下一个目标是实现由多种材料制成的人工堆叠2D晶体，包括自旋轴承组件。后者的基本组成部分是一个原子薄的氮化硼层，其中包含具有可接近自旋态的光学活性缺陷。

此研究论文的通讯作者弗拉基米尔·迪阿科诺夫（Vladimir Dyakonov）说：“不仅可以通过光学方式而且可以通过电流来控制2D设备中的自旋缺陷及其周围环境，尤其具有吸引力。这是一个全新的研究领域。”

控制二维材料中六方氮化硼中原子杂质自旋的能力已被证明。上述介绍仅供参考，更多信息敬请注意浏览原文或者相关报道。

Abstract

Optically active spin defects are promising candidates for solid-state quantum information and sensing applications. To use these defects in quantum applications coherent manipulation of their spin state is required. Here, we realize coherent control of ensembles of boron vacancy centers in hexagonal boron nitride (hBN). Specifically, by applying pulsed spin resonance protocols, we measure a spin-lattice relaxation time of 18 microseconds and a spin coherence time of 2 microseconds at room temperature. The spin-lattice relaxation time increases by three orders of magnitude at cryogenic temperature. By applying a method to decouple the spin state from its inhomogeneous nuclear environment the optically detected magnetic resonance linewidth is substantially reduced to several tens of kilohertz. Our results are important for the employment of van der Waals materials for quantum technologies, specifically in the context of high resolution quantum sensing of two-dimensional heterostructures, nanoscale devices, and emerging atomically thin magnets.