二维材料中首次实现核自旋量子位控制

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他们用电子自旋量子位作为原子尺度的传感器，首次在超薄六方氮化硼中实现了对核自旋量子位的实验控制。该研究工作拓展了量子科学和技术的前沿，使原子尺度的核磁共振光谱等应用成为可能。

研究人员表示，这是第一个展示2D材料中核自旋的光学初始化和相干控制的工作。

自旋量子位可以被用作传感器，例如探测蛋白质结构，或者以纳米级分辨率探测目标的温度。捕获在3D金刚石晶体缺陷中的电子能产生10—100纳米范围的成像和传感分辨率，而嵌入在单层或2D材料中的量子位可更接近目标样本，提供更高的分辨率和更强的信号。为实现这一目标，2019年，六方氮化硼中的第一个电子自旋量子位诞生。

此次，研究团队在超薄六方氮化硼中建立了光子和核自旋之间的界面。

核自旋可以通过周围的电子自旋量子位进行光学初始化——设置为已知的自旋。一旦被初始化，就可以用无线电频率来改变核自旋量子位，本质上是“写入”信息，或者测量核自旋量子位的变化，即“读取”信息。他们的方法一次利用3个氮原子核，其相干时间是室温下的电子量子位的30多倍。2D材料可以直接层叠在另一种材料上，从而形成一个内置的传感器。

研究人员表示，2D核自旋晶格适用于大规模的量子模拟。它可在较高的温度下工作。为控制核自旋量子位，研究人员首先从晶格中移除一个硼原子，并用一个电子取代它。电子位于3个氮原子的中心。每个氮核都处于随机自旋态，可以是-1、0或+1。

研究人员用激光将电子泵浦到自旋态为0，这对氮核的自旋影响可忽略不计。最后，受激电子与周围的3个氮核之间的超精细相互作用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，无论重复相互作用如何，它都保持不变。当所有3个原子核都设置为+1状态时，它们就可用作3个量子位。