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/美國科學促進會網站
據15日發表在《自然·材料》上的論文，美國普渡大學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，實現了在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現了對核自旋量子位的實驗控制。該研究工作拓展了量子科學和技術的前沿，使原子尺度的核磁共振光譜等應用成為可能。
研究人員表示，這是第一個展示2D材料中核自旋的光學初始化和相干控制的工作。
自旋量子位可以被用作傳感器，例如探測蛋白質結構，或者以納米級分辨率探測目標的溫度。捕獲在3D金剛石晶體缺陷中的電子能產生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樣本，提供更高的分辨率和更強的信號。為實現這一目標，2019年，六方氮化硼中的第一個電子自旋量子位誕生。
此次，研究團隊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行光學初始化——設置為已知的自旋。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個氮原子核，其相干時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，從而形成一個內置的傳感器。
研究人員表示，2D核自旋晶格適用于大規模的量子模擬。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硼原子，并用一個電子取代它。電子位于3個氮原子的中心。每個氮核都處于隨機自旋態，可以是-1、0或+1。
研究人員用激光將電子泵浦到自旋態為0，這對氮核的自旋影響可忽略不計。最后，受激電子與周圍的3個氮核之間的超精細相互作用迫使原子核的自旋發生變化。當循環重復多次時，原子核的自旋達到+1狀態，無論重復相互作用如何，它都保持不變。當所有3個原子核都設置為+1狀態時，它們就可用作3個量子位。
