研究人员实现二维材料固态自旋缺陷的相干控制

郭光灿教授团队与维格纳物理研究中心合作，揭示了一种以85%的极好概率发现新自旋缺陷的新方法，并实现了六方氮化硼中超亮单自旋的相干控制(hBN) 在室温下。该研究发表在 《自然通讯》上。

固态自旋缺陷在量子信息中具有重要意义，例如钻石中的氮空位(NV)中心，已广泛应用于量子计算和量子网络。二维材料 hBN 被认为是色心自旋缺陷的重要主体。hBN中的自旋缺陷因其在二维量子器件和集成量子纳米器件中的优势而备受关注。

在 hBN 中发现的自旋缺陷中，带负电的硼空位 (V B - ) 缺陷是最普遍的缺陷。郭教授团队的研究人员在之前的研究中进行了 基于V B- 缺陷的温度依赖性测量 ，并展示了 多自旋V B- 中心的相干动力学。他们发现很难检测到单个 V B - 缺陷，因为它的光跃迁量子效率很低。尽管有几份关于 V B - 缺陷光致发光增强的报告，但观察单个自旋的相干控制仍然是一个挑战。

在这项研究中，研究人员设法借助毛细力分离了 hBN 粉末样品中的各个色心。他们以 85% 的极好概率发现了一类超亮单旋色心，与之前的方法相比提高了 21 倍。

研究人员随后测量了其光学特性，具有显着的抗聚束特性和高达 25 MHz 的光子发射率，这是迄今为止在 hBN 中发现的单自旋色心的最高荧光计数。他们进一步捕获了它的拉比振荡信号，并进行了哈恩回波实验。这是首次在室温下对六方氮化硼中的单自旋色心进行操作，标志着量子信息应用进入了一个新阶段。

此外，研究人员通过第一性原理计算阐明了这种色心缺陷的结构。发现碳氧掺杂物的络合物可能是此类单自旋色心缺陷的来源，模拟的C N C B3模型的光学检测磁共振(ODMR)光谱与实验 一致结果。

室温下 hBN 中超亮单自旋的相干控制在量子领域实现了飞跃，这为解决可光学控制的自旋提供了可能性。

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