二維材料可在室溫下保存量子信息

科技日報(bào)記者 張佳欣

英國劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家首次發(fā)現(xiàn)，層狀二維材料六方氮化硼（hBN）中的“單原子缺陷”可以將量子信息在室溫下保留幾微秒。相關(guān)論文發(fā)表在《自然·材料》雜志上。這一發(fā)現(xiàn)意義重大，因?yàn)槟軌蛟诃h(huán)境條件（室溫）下?lián)碛辛孔有再|(zhì)的材料十分罕見，此次發(fā)現(xiàn)還凸顯了二維材料在推進(jìn)量子技術(shù)方面的潛力。

用共焦顯微鏡研究了六方氮化硼中的單自旋。藝術(shù)示意圖展示的是物鏡用線圈將激光聚焦在樣品上以進(jìn)行自旋微波控制。

圖片來源：埃莉諾·尼科爾斯/劍橋大學(xué)卡文迪許實(shí)驗(yàn)室

在hBN中，單一的“原子缺陷”在環(huán)境條件下表現(xiàn)出自旋相干，并且這些自旋可以用光來控制。自旋相干性指的是一種電子自旋，能夠隨時(shí)間推移保留量子信息。

此次研究結(jié)果顯示，如果將特定的量子態(tài)信息傳輸?shù)诫娮幼孕希@些信息就會(huì)被存儲(chǔ)約百萬分之一秒，這使該系統(tǒng)成為一個(gè)非常有前途的量子應(yīng)用平臺(tái)。雖然百萬分之一秒很短，但難得的是這個(gè)系統(tǒng)不需要特殊條件，就可在室溫下存儲(chǔ)自旋量子態(tài)。

hBN是一種超薄材料，由堆疊在一起的單原子層組成。這些層通過分子間作用力結(jié)合在一起。但有時(shí)，在這些層內(nèi)部會(huì)存在“原子缺陷”。就像困在晶體中的分子一樣，這些缺陷可以吸收和發(fā)射可見光范圍內(nèi)的光，具有光學(xué)躍遷，并且可以充當(dāng)電子的局部陷阱。由于hBN中的這些“原子缺陷”，科學(xué)家現(xiàn)在可以研究這些被捕獲電子的行為，如電子的自旋特性，這種特性允許電子與磁場相互作用。真正令人興奮的是，研究人員可以在室溫下利用這些缺陷中的光來控制和操縱電子自旋。

這一發(fā)現(xiàn)為未來的技術(shù)應(yīng)用鋪平了道路，特別是在傳感技術(shù)方面。