顶刊应用 | 量子钻石单自旋谱仪揭示六方氮化硼中单核自旋的探测与操控

近期，普渡大学团队在国际学术期刊《Nature》上发表了题为“Single nuclear spin detection and control in a van der Waals material"的研究论文。

该工作围绕六方氮化硼（hBN）中的碳相关单自旋缺陷及其耦合的13C核自旋展开研究。核心发现：通过量子钻石单自旋谱仪，实现了室温下单核自旋的初始化、相干操控（π门保真度99.75%）和读出，并识别出三类缺陷结构。支撑核心结论的关键表征，来自量子钻石单自旋谱仪（NV/h-BN固态缺陷量子信息、纳米尺度磁共振）。

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研究背景与意义

固态自旋缺陷是量子传感器和量子网络的核心，其性能取决于对量子态的精确操控能力。六方氮化硼（hBN）等二维范德华材料中的自旋缺陷因其近表面特性而备受关注。这种结构优势使缺陷量子态能更有效地与外部环境相互作用，提高传感灵敏度，为纳米尺度的化学与生物探测提供了理想平台。

hBN的自旋缺陷的原子级化学结构一直不为人知，这限制了对其量子特性的深入了解和优化。特别是在室温下，实现对单个核自旋的探测和控制面临着挑战，因为核自旋信号弱，容易受到环境噪声的干扰。传统的技术难以在复杂的二维材料中精确定位特定原子并保持其量子相干性，这限制了hBN在精密量子计量学中的应用。

三类单自旋缺陷的识别

为了揭示hBN中单个自旋缺陷的化学本质，研究人员使用量子钻石单自旋谱仪进行了纳米尺度的磁共振表征。该设备具有高空间分辨率和高信噪比，能够在单缺陷水平上检测到微弱的光探测磁共振信号，并将电子自旋与周围核自旋的相互作用联系起来。

图1：在hBN中观测到三类单自旋缺陷，其ODMR谱显示不同的超精细结构。

实验中观察到了三类不同的单自旋缺陷。其中两组缺陷表现出强烈的超精细耦合特征，耦合强度分别达到130 MHz和300 MHz。这种显著的差异揭示了缺陷局部环境的化学多样性，尤其是13C核自旋与电子自旋之间的强耦合效应，为精确操控提供了物理基础。

ODMR谱图呈现出清晰的高对比度共振峰，且自旋回声信号显示出稳定的相干振荡。频率随磁场线性变化的Zeeman效应进一步验证了自旋能级的量子特性。这些高分辨率谱学数据不仅确立了缺陷的分类标准，更通过超精细结构指纹，锁定了缺陷中13C原子的存在，从而在原子层面厘清了缺陷的化学结构。

单核自旋的相干操控

从探测转向操控，研究利用该谱仪实现了13C核自旋的高保真初始化与相干控制。通过精心设计的微波脉冲序列，结合SWAP门将电子自旋极化转移至核自旋，成功在室温下制备出确定的核自旋量子态。

图3：利用SWAP门实现核自旋初始化，并观测到核自旋拉比振荡。

实验观测到清晰的核自旋拉比振荡，其频率随激光功率平方根线性增长，符合理论预期。更重要的是，核自旋π门操作的保真度高达99.75%，相干时间长达117微秒。这一结果不仅证实了单核自旋在范德华材料中的长寿命特性，更展示了该固态量子平台在室温下执行复杂量子逻辑门的能力。

高保真度的相干操控为后续利用核自旋作为量子比特存储单元奠定了基础。通过精确控制单个核自旋的状态，研究团队得以进一步解析缺陷的超精细结构，从而锁定hBN中单自旋缺陷的化学本质，实现了从量子态操控到原子尺度结构解析的闭环验证。

总结与展望

量子钻石单自旋谱仪凭借纳米级空间分辨率与室温相干操控能力，成功解析了二维范德华材料中单核自旋的化学结构。这一突破确立了其在量子传感与存储中的核心地位，为构建高密度、高稳定性的固态量子网络提供了关键工具，推动二维材料量子技术从基础探索迈向实际应用。