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二維材料中首次實現(xiàn)核自旋量子位控制或?qū)⑼卣沽孔涌茖W(xué)技術(shù)前沿
2022-08-16 14:39:45   來源:科技日報

?據(jù)15日發(fā)表在《自然·材料》上的論文,美國普渡大學(xué)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(xiàn)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(xiàn)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(xué)和技術(shù)的前沿,使原子尺度的核磁共振光譜等應(yīng)用成為可能。


研究人員使用光和電子自旋量子比特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(xué)促進會網(wǎng)站

  研究人員表示,這是第一個展示2D材料中核自旋的光學(xué)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(zhì)結(jié)構(gòu),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(chǎn)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(xiàn)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(xué)初始化——設(shè)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(zhì)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(nèi)置的傳感器。

  研究人員表示,2D核自旋晶格適用于大規(guī)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(tài),可以是-1、0或+1。

  研究人員用激光將電子泵浦到自旋態(tài)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(fā)生變化。當循環(huán)重復(fù)多次時,原子核的自旋達到+1狀態(tài),無論重復(fù)相互作用如何,它都保持不變。當所有3個原子核都設(shè)置為+1狀態(tài)時,它們就可用作3個量子位。


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