Nature | 普渡大学，六方氮化硼（hBN）中最新发现！

固态自旋缺陷已成为多种量子技术的重要平台，包括多节点量子网络和量子增强传感。这些进展主要得益于可光学寻址的相干自旋所构建的自旋-光子量子接口。尽管已有多个材料系统在自旋-光子体系中取得成功，但每种材料平台都存在内在限制，在具体应用中常需权衡。

此外，能够在室温下运行的自旋缺陷仍较为稀缺。近年来，六方氮化硼（hBN）中的光学活性自旋缺陷因其独特的层状范德华结构而备受关注。hBN不仅便于与纳米光子器件集成，而且为原子尺度的量子传感提供了理想平台。已有研究表明，hBN中的自旋缺陷可以用于探测磁场、温度、应变等多种物理量。然而，hBN中电子自旋的相干时间较短，这限制了其实用性。

相比之下，核自旋因其与周围环境耦合较弱，通常具有较长的相干时间，因此是构建量子寄存器的理想选择。通过将核自旋作为辅助量子比特，可以克服电子自旋相干时间短的限制，从而提高基于自旋的量子传感灵敏度。要实现这一目标，必须具备初始化、控制和读取单个核自旋的能力。

在hBN体系中，已有实验利用带负电的硼空位（V_B⁻）缺陷对氮核自旋集合态进行极化和读取，但由于V_B⁻缺陷的量子效率较低，这些实验仅限于集合操作。同时，V_B⁻电子自旋的弛豫时间较短（室温下T₁ < 20 μs），也限制了核自旋的最长可操作时间。最近发现的hBN单自旋缺陷可以实现对单个电子自旋的读取，但这些缺陷的具体化学结构尚未明确，而且在hBN或其他范德华材料中对单个核自旋的操控也尚未实现。

针对这一挑战，普渡大学李统藏团队在“Nature”期刊上发表了题为“Single nuclear spin detection and control in a van der Waals material”的最新论文。本研究报道了一种基于碳相关缺陷的hBN单核自旋探测与控制方法。研究人员在¹³C注入的hBN中发现了三种主要类型的单自旋缺陷，并测得其光学检测磁共振（ODMR）对比度高达200%。其中两种缺陷类型与周围的¹³C核自旋存在强耦合关系。研究人员在单一缺陷中观测到自旋态S = 1与S = 1/2的共存现象，但仅有S = 1/2态与¹³C核自旋呈现强耦合，耦合强度最高可达300 MHz。由于强超精细耦合，这些缺陷展现出清晰的超精细结构，使得研究人员能够通过缺陷电子自旋实现对单个核自旋的初始化和读取。

此外，研究团队还在室温下实现了电子-核自旋双量子比特门操作，并对¹³C核自旋进行了相干控制，其π门操作的保真度高达99.75%。他们进一步开展了Ramsey和Hahn回波测量，测得典型¹³C核自旋在室温下的去相干时间为16.6 μs，相干时间T₂为162 μs。密度泛函理论计算表明，碳-硼空位配对（C_BV_N）和碳-硼-氧-氮四原子结构（C_BON）可能是导致两种强超精细耦合缺陷的关键组成部分。

本文通过首次实现六方氮化硼（hBN）中单个¹³C核自旋的探测与高保真相干控制，突破了二维范德华材料量子自旋缺陷在量子信息处理和量子传感领域的瓶颈。研究发现，hBN中存在三类具有不同超精细耦合特征的自旋缺陷，其中部分缺陷表现出室温下长寿命的核自旋态，为构建稳定的量子寄存器提供了理想平台。

本文还揭示了电子自旋与核自旋间的强耦合机制，实现了单核自旋的初始化、读取与量子门操作，显著提升了核自旋的操控精度和相干时间。这一突破不仅解决了以往hBN电子自旋短相干时间限制的问题，也为利用核自旋作为辅助量子比特实现量子误差校正奠定了基础。更重要的是，通过结合实验与密度泛函理论，提出了自旋缺陷的具体化学结构模型，深化了对二维材料中量子缺陷本质的理解。该研究为二维范德华材料在室温量子计算、量子存储和高灵敏度原子尺度传感等应用开辟了新路径，推动了量子技术向更广泛实用化方向发展。