二維材料中首次實現核自旋量子位控制或將拓展量子科學技術前沿

據15日發表在《 自然·材料 》上的論文，美國 普渡大學 的研究人員通過使用光子和電子自旋量子位來控制二維（2D）材料中的核自旋，實現了在二維材料中寫入和讀取帶有核自旋的量子信息。他們用電子自旋量子位作為原子尺度的傳感器，首次在超薄六方氮化硼中實現了對核自旋量子位的實驗控制。該研究工作拓展了量子科學和技術的前沿，使原子尺度的核磁共振光譜等應用成為可能。

研究人員表示，這是第一個展示2D材料中核自旋的光學初始化和相干控制的工作。

自旋量子位可以被用作傳感器，例如探測蛋白質結構，或者以納米級分辨率探測目標的温度。捕獲在3D金剛石晶體缺陷中的電子能產生10—100納米範圍的成像和傳感分辨率，而嵌入在單層或2D材料中的量子位可更接近目標樣本，提供更高的分辨率和更強的信號。為實現這一目標，2019年，六方氮化硼中的第一個電子自旋量子位誕生。

此次，研究團隊在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之間的界面。

核自旋可以通過周圍的電子自旋量子位進行光學初始化——設置為已知的自旋。一旦被初始化，就可以用無線電頻率來改變核自旋量子位，本質上是“寫入”信息，或者測量核自旋量子位的變化，即“讀取”信息。他們的方法一次利用3個氮原子核，其相干時間是室温下的電子量子位的30多倍。二維材料可以直接層疊在另一種材料上，從而形成一個內置的傳感器。

研究人員表示，2D核自旋晶格適用於大規模的量子模擬。它可在較高的温度下工作。為控制核自旋量子位，研究人員首先從晶格中移除一個硼原子，並用一個電子取代它。電子位於3個氮原子的中心。每個氮核都處於隨機自旋態，可以是-1、0或+1。

研究人員用激光將電子泵浦到自旋態為0，這對氮核的自旋影響可忽略不計。最後，受激電子與周圍的3個氮核之間的超精細相互作用迫使原子核的自旋發生變化。當循環重複多次時，原子核的自旋達到+1狀態，無論重複相互作用如何，它都保持不變。當所有3個原子核都設置為+1狀態時，它們就可用作3個量子位。