中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊(duì)在二維范德瓦爾斯材料固態(tài)自旋色心領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、唐建順研究組與匈牙利魏格納物理研究中心AdamGali教授等人合作，實(shí)驗(yàn)研究并理論解釋了六方氮化硼（hexagonalboronnitride，hBN）中帶負(fù)電硼空位（VB-）色心受磁場(chǎng)調(diào)制的自旋相干動(dòng)力學(xué)行為，揭示了hBN中VB-色心電子自旋與核自旋之間的相干耦合和弛豫機(jī)制，對(duì)發(fā)展基于二維范德瓦爾斯材料的相干自旋系統(tǒng)及低維量子器件具有重要意義。該成果9月29日發(fā)表在國際知名期刊《NatureCommunications》上。

近年來的研究發(fā)現(xiàn)寬禁帶范德瓦爾斯材料hBN是室溫自旋色心的優(yōu)秀宿主，由于范德瓦爾斯材料通過簡(jiǎn)單的機(jī)械剝離就能制備為原子厚度的二維結(jié)構(gòu)，且能和多種微納結(jié)構(gòu)相耦合，在低維量子器件制備和近場(chǎng)傳感探測(cè)等方面比三維體材料具有天然優(yōu)勢(shì)，因此hBN中的自旋色心成為固態(tài)自旋色心領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。

目前研究最廣泛的hBN自旋色心為VB-色心，且研究主要集中于VB-的電子自旋，對(duì)VB-電子自旋周圍的核自旋尚缺乏深入研究及觀測(cè)。由于色心周圍的核自旋是固態(tài)自旋維度擴(kuò)展的主要途徑之一，另外也是造成固態(tài)自旋弛豫的主要因素。因此VB-色心的電子自旋與周圍核自旋耦合形成的多自旋體系的相干動(dòng)力學(xué)研究對(duì)推動(dòng)基于范德瓦爾斯材料的固態(tài)量子自旋技術(shù)至關(guān)重要。

在本工作中，研究組使用中子輻照技術(shù)在hBN中成功制備出高濃度的VB-色心樣品，并利用ODMR（opticalprobingmagneticresonance）技術(shù)對(duì)VB-自旋能級(jí)結(jié)構(gòu)進(jìn)行探測(cè)，觀測(cè)到VB-色心中電子自旋與3個(gè)最近鄰14N核自旋相互作用產(chǎn)生的超精細(xì)劈裂，以及14N核自旋偏振隨磁場(chǎng)增強(qiáng)的極化現(xiàn)象。研究組也對(duì)VB-進(jìn)行了多項(xiàng)室溫相干操控和探測(cè)，包括Rabi振蕩，自旋回波，Ramsey干涉探測(cè)等。探測(cè)結(jié)果表明VB-自旋受到明顯的核自旋相干調(diào)制，同時(shí)核自旋調(diào)制效應(yīng)也會(huì)隨磁場(chǎng)增加而變強(qiáng)。為進(jìn)一步揭示相關(guān)現(xiàn)象的內(nèi)在動(dòng)力學(xué)機(jī)制，研究組理論構(gòu)建了VB-電子與最近鄰14N核自旋組成的4自旋系統(tǒng)，并對(duì)該4自旋系統(tǒng)的多種動(dòng)力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了無參數(shù)（parameterfree）的理論模擬。結(jié)合實(shí)驗(yàn)與模擬結(jié)果，研究組發(fā)現(xiàn)VB-色心中存在較強(qiáng)的電子與核自旋相互作用，同時(shí)最近鄰14N核自旋極化也會(huì)受到顯著的驅(qū)動(dòng)微波動(dòng)態(tài)調(diào)制。此外，研究組還在理論模擬中引入了包含127個(gè)14N和11B的多體核自旋環(huán)境，并模擬了與之相互作用的開放4自旋VB-系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)行為。通過對(duì)照實(shí)驗(yàn)和理論結(jié)果，研究組發(fā)現(xiàn)11B核自旋環(huán)境主導(dǎo)了VB-色心的自旋弛豫，而磁場(chǎng)能夠減弱核自旋環(huán)境的弛豫效應(yīng)并增強(qiáng)VB-電子與最近鄰14N的相干耦合。

該工作從實(shí)驗(yàn)和理論上揭示了VB-色心中存在顯著的電子和最近鄰14N核自旋相干耦合，以及多體11B核自旋環(huán)境導(dǎo)致的VB-色心自旋弛豫。該工作為將VB-相干操控自旋拓展至核自旋以及發(fā)展相關(guān)低維固態(tài)量子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后劉偉和德國馬克斯-普朗克研究所ViktorIvády博士為該論文共同第一作者。中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李傳鋒教授、唐建順教授、王軼韜特任副研究員和匈牙利魏格納物理研究中心AdamGali教授為該論文共同通訊作者。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院和合肥國家實(shí)驗(yàn)室的支持。唐建順感謝中科院青促會(huì)和之江實(shí)驗(yàn)室開放課題的支持。

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