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我校郭光燦院士團隊在二維范德瓦爾斯材料固態(tài)自旋色心領(lǐng)域取得重要進展。該團隊李傳鋒、唐建順研究組與匈牙利魏格納物理研究中心AdamGali教授等人合作，實驗研究并理論解釋了六方氮化硼（hexagonalboronnitride，hBN）中帶負電硼空位（VB-）色心受磁場調(diào)制的自旋相干動力學(xué)行為，揭示了hBN中VB-色心電子自旋與核自旋之間的相干耦合和弛豫機制，對發(fā)展基于二維范德瓦爾斯材料的相干自旋系統(tǒng)及低維量子器件具有重要意義。該成果9月29日發(fā)表在國際知名期刊《Nature Communications》上。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)寬禁帶范德瓦爾斯材料hBN是室溫自旋色心的優(yōu)秀宿主，由于范德瓦爾斯材料通過簡單的機械剝離就能制備為原子厚度的二維結(jié)構(gòu)，且能和多種微納結(jié)構(gòu)相耦合，在低維量子器件制備和近場傳感探測等方面比三維體材料具有天然優(yōu)勢，因此hBN中的自旋色心成為固態(tài)自旋色心領(lǐng)域的研究熱點。

目前研究最廣泛的hBN自旋色心為VB-色心，且研究主要集中于VB-的電子自旋，對VB-電子自旋周圍的核自旋尚缺乏深入研究及觀測。由于色心周圍的核自旋是固態(tài)自旋維度擴展的主要途徑之一，另外也是造成固態(tài)自旋弛豫的主要因素。因此VB-色心的電子自旋與周圍核自旋耦合形成的多自旋體系的相干動力學(xué)研究對推動基于范德瓦爾斯材料的固態(tài)量子自旋技術(shù)至關(guān)重要。

在本工作中，研究組使用中子輻照技術(shù)在hBN中成功制備出高濃度的VB-色心樣品，并利用ODMR（optical probing magnetic resonance）技術(shù)對VB-自旋能級結(jié)構(gòu)進行探測，觀測到VB-色心中電子自旋與3個最近鄰14N核自旋相互作用產(chǎn)生的超精細劈裂，以及14N核自旋偏振隨磁場增強的極化現(xiàn)象。研究組也對VB-進行了多項室溫相干操控和探測，包括Rabi振蕩，自旋回波，Ramsey干涉探測等。探測結(jié)果表明VB-自旋受到明顯的核自旋相干調(diào)制，同時核自旋調(diào)制效應(yīng)也會隨磁場增加而變強。為進一步揭示相關(guān)現(xiàn)象的內(nèi)在動力學(xué)機制，研究組理論構(gòu)建了VB-電子與最近鄰14N核自旋組成的4自旋系統(tǒng)，并對該4自旋系統(tǒng)的多種動力學(xué)性質(zhì)進行了無參數(shù)（parameterfree）的理論模擬。結(jié)合實驗與模擬結(jié)果，研究組發(fā)現(xiàn)VB-色心中存在較強的電子與核自旋相互作用，同時最近鄰14N核自旋極化也會受到顯著的驅(qū)動微波動態(tài)調(diào)制。此外，研究組還在理論模擬中引入了包含127個14N和11B的多體核自旋環(huán)境，并模擬了與之相互作用的開放4自旋VB-系統(tǒng)的動力學(xué)行為。通過對照實驗和理論結(jié)果，研究組發(fā)現(xiàn)11B核自旋環(huán)境主導(dǎo)了VB-色心的自旋弛豫，而磁場能夠減弱核自旋環(huán)境的弛豫效應(yīng)并增強VB-電子與最近鄰14N的相干耦合。

該工作從實驗和理論上揭示了VB-色心中存在顯著的電子和最近鄰14N核自旋相干耦合，以及多體11B核自旋環(huán)境導(dǎo)致的VB-色心自旋弛豫。該工作為將VB-相干操控自旋拓展至核自旋以及發(fā)展相關(guān)低維固態(tài)量子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

圖1：(a)VB-色心的原子結(jié)構(gòu)示意圖；(b)VB-色心的電子自旋能級結(jié)構(gòu)；(c)不同磁場下VB-色心的ODMR信號；(d)不同磁場下VB-色心的Rabi振蕩信號。

中科院量子信息重點實驗室博士后劉偉和德國馬克斯-普朗克研究所ViktorIvády博士為該論文共同第一作者。中科院量子信息重點實驗室李傳鋒教授、唐建順教授、王軼韜特任副研究員和匈牙利魏格納物理研究中心AdamGali教授為該論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院和合肥國家實驗室的支持。唐建順感謝中科院青促會和之江實驗室開放課題的支持。

文章鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-022-33399-2

（中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、物理學(xué)院、科研部）