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cyqdesign 2022-10-10 13:09

中國科大二維材料固態(tài)自旋色心研究取得進展

中國科學院院士、中國科學技術(shù)大學教授郭光燦團隊在二維范德瓦爾斯材料固態(tài)自旋色心領(lǐng)域取得重要進展。該團隊李傳鋒、唐建順研究組與匈牙利魏格納物理研究中心教授AdamGali等合作，實驗研究并理論解釋了六方氮化硼（hexagonalboronnitride，hBN）中帶負電硼空位（VB-）色心受磁場調(diào)制的自旋相干動力學行為，揭示了hBN中VB-色心電子自旋與核自旋之間的相干耦合和弛豫機制，這對發(fā)展基于二維范德瓦爾斯材料的相干自旋系統(tǒng)及低維量子器件具有重要意義。9月29日，相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nature Communications）上。 8+'}`  
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近年來，研究發(fā)現(xiàn)，寬禁帶范德瓦爾斯材料hBN是室溫自旋色心的優(yōu)秀宿主。范德瓦爾斯材料通過簡單的機械剝離便可制備為原子厚度的二維結(jié)構(gòu)，且可與多種微納結(jié)構(gòu)相耦合，在低維量子器件制備和近場傳感探測等方面比三維體材料具有天然優(yōu)勢，因而hBN中的自旋色心成為固態(tài)自旋色心領(lǐng)域的研究熱點。 m%|\AZBA#  
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目前，研究最廣泛的hBN自旋色心為VB-色心，且集中于VB-的電子自旋，而對VB-電子自旋周圍的核自旋缺乏深入研究及觀測。由于色心周圍的核自旋是固態(tài)自旋維度擴展的主要途徑之一，且是造成固態(tài)自旋弛豫的主要因素。因此，VB-色心的電子自旋與周圍核自旋耦合形成的多自旋體系的相干動力學研究，對推動基于范德瓦爾斯材料的固態(tài)量子自旋技術(shù)至關(guān)重要。 Wmbc `XC  
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本工作中，研究組使用中子輻照技術(shù)在hBN中制備出高濃度的VB-色心樣品，并利用ODMR（optical probing magnetic resonance）技術(shù)探測VB-自旋能級結(jié)構(gòu)，觀測到VB-色心中電子自旋與3個最近鄰14N核自旋相互作用產(chǎn)生的超精細劈裂以及14N核自旋偏振隨磁場增強的極化現(xiàn)象。同時，研究組對VB-進行多項室溫相干操控和探測，包括Rabi振蕩、自旋回波、Ramsey干涉探測等。探測結(jié)果表明，VB-自旋受到明顯的核自旋相干調(diào)制，且核自旋調(diào)制效應(yīng)會隨磁場增加而變強。為進一步揭示相關(guān)現(xiàn)象的內(nèi)在動力學機制，研究組理論構(gòu)建了VB-電子與最近鄰14N核自旋組成的4自旋系統(tǒng)，并對該4自旋系統(tǒng)的多種動力學性質(zhì)進行無參數(shù)（parameterfree）的理論模擬。結(jié)合實驗與模擬結(jié)果，研究組發(fā)現(xiàn)VB-色心中存在較強的電子與核自旋相互作用，同時最近鄰14N核自旋極化也受到顯著的驅(qū)動微波動態(tài)調(diào)制。此外，研究組還在理論模擬中引入了包含127個14N和11B的多體核自旋環(huán)境，并模擬了與之相互作用的開放4自旋VB-系統(tǒng)的動力學行為。通過對照實驗和理論結(jié)果，研究組發(fā)現(xiàn)11B核自旋環(huán)境主導了VB-色心的自旋弛豫，而磁場能夠減弱核自旋環(huán)境的弛豫效應(yīng)并增強VB-電子與最近鄰14N的相干耦合。 Cd%5XD^  
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