近日，卡文迪许实验室的研究人员首次发现，薄材料六方氮化硼（hBN）中的单个“原子缺陷”在环境条件下表现出自旋相干性，并且这些自旋可以用光来控制。自旋相干是指电子自旋能够随时间保持量子信息。这一发现意义重大，因为在环境条件下具有量子特性的材料非常罕见。
发表在《Nature Materials》期刊上的研究结果进一步证实，室温下可获得的自旋相干性比研究人员最初想象的要长。“结果表明，一旦我们在这些电子的自旋上写入特定的量子态，这些信息就会存储约百万分之一秒，这使得这个系统成为一个非常有前途的量子应用平台，” 卡文迪许实验室Rubicon博士后、论文的合著者卡姆·m·吉拉多尼（Carmem M. Gilardoni）说。
“这可能看起来很短，但有趣的是，这个系统不需要特殊条件——它甚至可以在室温下存储自旋量子态，而且不需要大磁铁。”
六方氮化硼（hBN）是一种超薄材料，由单原子厚度的层堆叠而成，有点像纸张。这些层是由分子间的作用力结合在一起的。但有时，在这些层中存在“原子缺陷”，类似于被分子困在里面的晶体。这些缺陷可以吸收和发射可见光范围内的光，具有明确的光学跃迁，它们可以作为电子的局部陷阱。由于hBN中的这些“原子缺陷”，科学家们现在可以研究这些被困电子的行为。他们可以研究电子与磁场相互作用的自旋特性。真正令人兴奋的是，研究人员可以在室温下利用这些缺陷中的光来控制和操纵电子自旋。
这一发现为未来的技术应用铺平了道路，特别是在传感技术方面。
然而，由于这是第一次有人报道该系统的自旋相干性，在它成熟到足以用于技术应用之前，还有很多研究要做。科学家们仍在研究如何使这些缺陷变得更好、更可靠。他们目前正在探索我们可以将自旋存储时间延长到什么程度，以及我们是否可以优化对量子技术应用至关重要的系统和材料参数，例如随时间推移的缺陷稳定性和该缺陷发出的光的质量。
“使用这个系统向我们突出了材料基础研究的力量。至于hBN系统，作为一个领域，我们可以在其他新材料平台上利用激发态动力学，用于未来的量子技术，”该论文的第一作者汉娜·斯特恩博士说，他在卡文迪许实验室进行了这项研究，现在是英国皇家学会大学研究员和曼彻斯特大学讲师。
未来，研究人员将进一步开发该系统，探索从量子传感器到安全通信的许多不同方向。
“每一个有前途的新系统都将扩大可用材料的工具包，在这个方向上的每一个新步骤都将推进量子技术的可扩展实施。这些结果证实了分层材料实现这些目标的希望，” 卡文迪许实验室负责人、该项目负责人Mete atatatre教授总结道。
文章信息：Hannah Stern et al,’A quantum coherent spin in hexagonal boron nitride at ambient conditions’, Nature Materials. 2024. DOI: 10.1038/s41563-024-01887-z
