普渡大学研究团队实现了基于六方氮化硼的核自旋极化与控制

在 2022 年 8 月 15 日发表于《自然材料》期刊上的一篇文章中，普渡大学研究团队详细介绍了《六方氮化硼的核自旋极化与控制》。SCI Tech Daily 指出：借助光和电子自旋量子比特来控制二维材料中的核自旋，其开辟了量子科学技术的新前沿。

据悉，该团队将电子自旋量子比特作为原子级传感器、并首次对超薄六方氮化硼中的核自旋量子比特展开实验控制。

除了实现原子级核磁共振光谱等应用，该技术还赋予了在二维材料中读写具有核自旋的量子信息的能力。

通讯作者兼普渡大学物理、天文、电器和计算机工程系副教授， 同时也是该校量子科学与工程研究所成员之一的李铜仓（Tongcang Li）表示 —— 这是首个展示展示二维材料中核自旋的光学初始化和相干控制工作！

当前该团队已能够使用光来初始化核自旋，并且通过这种控制，能够在二维材料中写入 / 读取带有核自旋的量子信息。

展望未来，这种方法可在量子存储、传感、以及模拟等领域发挥重要的作用。

作为量子技术的最基础单位，量子比特（qubit）算是经典计算机比特（bit）的量子衍生版本。

与传统芯片上的硅晶体管不同，量子比特通常由原子、亚原子粒子、或光子构成。

在电子或核自旋量子比特中，我们可用自旋来指定二进制的‘0’或‘1’状态。 这是一种与磁极性大致相似的特性 —— 意味着自旋对电磁场很是敏感。 而想要执行任何任务，都必须先控制旋转，然后连贯或长期保持。

接着我们可用自旋量子比特作为传感器 —— 例如以纳米级分辨率来探测蛋白质的结构或目标温度。

而后被困在 3D 金刚石晶体缺陷中的电子，可产生 10 - 100 nm 范围内的图像 / 传感分辨率。

不过嵌入单层或二维材料中的量子比特，可以更接近目标样本，从而带来更高的分辨率、以及更强的信号 —— 新研究为这一目标铺平了道路。

早在 2019 年，研究人员就已通过从原子晶格中去除一个硼原子、并在其位置捕获一个电子，而在六方氮化硼（hexagonal boron nitride）中构建了一个电子自旋量子比特。

所谓硼空位电子自旋量子比特，还提供了一条诱人的途径，来控制晶格中每个电子自旋量子比特周围的氮原子的核自旋。 在这项工作中， 研究团队在超薄六方氮化硼中建立了光子与核自旋之间的界面。

核自旋可通过周围的电子自旋量子比特进行光学初始化（设置为已知的自旋）。

然后便可利用射频来改变核自旋量子位（写入信息）、或测量核自旋量子位的变化（读取信息）。

本例中，研究团队还实现了一次对三个氮原子核的利用，且其相干时间是室温下电子量子比特的 30 倍以上。

此外 2D 材料能够直接分层至另一种材料，从而创建一个内置的传感器。Tongcang Li 补充道：

二维核自旋晶格非常适用于大规模量子模拟，因为它可在较超导量子比特更高的温度下工作。 为控制核自旋量子比特，该方案需要先从晶格中去除一个硼原子、并用一个电子代替它。

此时电子位于三个氮原子的中心，且每个氮原子核都处于随机自旋状态 —— 状态可能为-1、0 或 +1 。

接着用激光将电子泵浦到 0 自旋态，这一操作对氮核的自旋影响可以忽略不计。

（来自：Nature Materials）

最后，受激电子与周围三个氮原子核之间的超精细相互作用，会迫使原子核的自旋发生变化。

当循环重复多次时，原子核的自旋达到 +1 状态。无论重复的相互作用如何，它都会保持不变。

再将所有三个原子核都设置为 +1 状态，便可将之当做三个量子比特来使用了。