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研究人員使用光和電子自旋量子位來控制二維材料中的核自旋。

圖片來源：Second Bay工作室/美國科學(xué)促進(jìn)會(huì)網(wǎng)站

據(jù)15日發(fā)表在《自然·材料》上的論文，美國普渡大學(xué)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(shí)現(xiàn)了在2D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(shí)現(xiàn)了對(duì)核自旋量子位的實(shí)驗(yàn)控制。該研究工作拓展了量子科學(xué)和技術(shù)的前沿，使原子尺度的核磁共振光譜等應(yīng)用成為可能。

研究人員表示，這是第一個(gè)展示2D材料中核自旋的光學(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu)，或者以納米級(jí)分辨率探測目標(biāo)的溫度。捕獲在3D金剛石晶體缺陷中的電子能產(chǎn)生10—100納米范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(biāo)樣本，提供更高的分辨率和更強(qiáng)的信號(hào)。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，2019年，六方氮化硼中的第一個(gè)電子自旋量子位誕生。

此次，研究團(tuán)隊(duì)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(jìn)行光學(xué)初始化——設(shè)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(zhì)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(gè)氮原子核，其相干時(shí)間是室溫下的電子量子位的30多倍。2D材料可以直接層疊在另一種材料上，從而形成一個(gè)內(nèi)置的傳感器。

研究人員表示，2D核自旋晶格適用于大規(guī)模的量子模擬。它可在較高的溫度下工作。為控制核自旋量子位，研究人員首先從晶格中移除一個(gè)硼原子，并用一個(gè)電子取代它。電子位于3個(gè)氮原子的中心。每個(gè)氮核都處于隨機(jī)自旋態(tài)，可以是-1、0或+1。

研究人員用激光將電子泵浦到自旋態(tài)為0，這對(duì)氮核的自旋影響可忽略不計(jì)。最后，受激電子與周圍的3個(gè)氮核之間的超精細(xì)相互作用迫使原子核的自旋發(fā)生變化。當(dāng)循環(huán)重復(fù)多次時(shí)，原子核的自旋達(dá)到+1狀態(tài)，無論重復(fù)相互作用如何，它都保持不變。當(dāng)所有3個(gè)原子核都設(shè)置為+1狀態(tài)時(shí)，它們就可用作3個(gè)量子位。（張佳欣）