據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(guò)使用光子和電子自旋量子位來(lái)控制二維（2D）材料中的核自旋，實(shí)現了在2D材料中寫(xiě)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(shí)現了對核自旋量子位的實(shí)驗控制。該研究工作開(kāi)辟了量子科學(xué)和技 術(shù)的新前沿，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(gè)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(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(shí)現這一目標，2019年，六方氮化硼中的第一個(gè) 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(guò)周?chē)碾娮幼孕孔游贿M(jìn)行光學(xué)初始化——設置為已知的自旋。一旦被初始化，就可以用無(wú)線(xiàn)電頻率來(lái)改變核自旋量子位，本質(zhì)上是“寫(xiě)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(gè)氮原子核，其相干時(shí)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(gè)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。它可在比超導量子位更高的溫度下工作。為控制核自旋量子位，研究人員首先從晶格中移除一個(gè)硼原子，并用一個(gè)電子取代它。電子位于3個(gè)氮原子的中心。每個(gè)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?chē)?個(gè)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)重復多次時(shí)，原子核的自旋達到+1狀態(tài)，無(wú)論重復相互作用如何，它都保持不變。當所有3個(gè)原子核都設置為+1狀態(tài)時(shí)，它們就可用作3個(gè)量子位。