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。