頂刊應用 | 量子鉆石單自旋譜儀揭示六方氮化硼中單核自旋的探測與操控

近期，普渡大學團隊在國際學術期刊《Nature》上發表了題為“Single nuclear spin detection and control in a van der Waals material"的研究論文。

該工作圍繞六方氮化硼（hBN）中的碳相關單自旋缺陷及其耦合的13C核自旋展開研究。核心發現：通過量子鉆石單自旋譜儀，實現了室溫下單核自旋的初始化、相干操控（π門保真度99.75%）和讀出，并識別出三類缺陷結構。支撐核心結論的關鍵表征，來自量子鉆石單自旋譜儀（NV/h-BN固態缺陷量子信息、納米尺度磁共振）。

論文首頁

研究背景與意義

固態自旋缺陷是量子傳感器和量子網絡的核心，其性能取決于對量子態的精確操控能力。六方氮化硼（hBN）等二維范德華材料中的自旋缺陷因其近表面特性而備受關注。這種結構優勢使缺陷量子態能更有效地與外部環境相互作用，提高傳感靈敏度，為納米尺度的化學與生物探測提供了理想平臺。

hBN的自旋缺陷的原子級化學結構一直不為人知，這限制了對其量子特性的深入了解和優化。特別是在室溫下，實現對單個核自旋的探測和控制面臨著挑戰，因為核自旋信號弱，容易受到環境噪聲的干擾。傳統的技術難以在復雜的二維材料中精確定位特定原子并保持其量子相干性，這限制了hBN在精密量子計量學中的應用。

三類單自旋缺陷的識別

為了揭示hBN中單個自旋缺陷的化學本質，研究人員使用量子鉆石單自旋譜儀進行了納米尺度的磁共振表征。該設備具有高空間分辨率和高信噪比，能夠在單缺陷水平上檢測到微弱的光探測磁共振信號，并將電子自旋與周圍核自旋的相互作用聯系起來。

圖1：在hBN中觀測到三類單自旋缺陷，其ODMR譜顯示不同的超精細結構。

實驗中觀察到了三類不同的單自旋缺陷。其中兩組缺陷表現出強烈的超精細耦合特征，耦合強度分別達到130 MHz和300 MHz。這種顯著的差異揭示了缺陷局部環境的化學多樣性，尤其是13C核自旋與電子自旋之間的強耦合效應，為精確操控提供了物理基礎。

ODMR譜圖呈現出清晰的高對比度共振峰，且自旋回聲信號顯示出穩定的相干振蕩。頻率隨磁場線性變化的Zeeman效應進一步驗證了自旋能級的量子特性。這些高分辨率譜學數據不僅確立了缺陷的分類標準，更通過超精細結構指紋，鎖定了缺陷中13C原子的存在，從而在原子層面厘清了缺陷的化學結構。

單核自旋的相干操控

從探測轉向操控，研究利用該譜儀實現了13C核自旋的高保真初始化與相干控制。通過精心設計的微波脈沖序列，結合SWAP門將電子自旋極化轉移至核自旋，成功在室溫下制備出確定的核自旋量子態。

圖3：利用SWAP門實現核自旋初始化，并觀測到核自旋拉比振蕩。

實驗觀測到清晰的核自旋拉比振蕩，其頻率隨激光功率平方根線性增長，符合理論預期。更重要的是，核自旋π門操作的保真度高達99.75%，相干時間長達117微秒。這一結果不僅證實了單核自旋在范德華材料中的長壽命特性，更展示了該固態量子平臺在室溫下執行復雜量子邏輯門的能力。

高保真度的相干操控為后續利用核自旋作為量子比特存儲單元奠定了基礎。通過精確控制單個核自旋的狀態，研究團隊得以進一步解析缺陷的超精細結構，從而鎖定hBN中單自旋缺陷的化學本質，實現了從量子態操控到原子尺度結構解析的閉環驗證。

總結與展望

量子鉆石單自旋譜儀憑借納米級空間分辨率與室溫相干操控能力，成功解析了二維范德華材料中單核自旋的化學結構。這一突破確立了其在量子傳感與存儲中的核心地位，為構建高密度、高穩定性的固態量子網絡提供了關鍵工具，推動二維材料量子技術從基礎探索邁向實際應用。