二維材料可在室溫下保存量子信息

英國劍橋大學卡文迪許實驗室科學家首次發現，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。相關論文發表在《自然·材料》雜志上。這一發現意義重大，因為能夠在環境條件（室溫）下擁有量子性質的材料十分罕見，此次發現還凸顯了二維材料在推進量子技術方面的潛力。

用共焦顯微鏡研究了六方氮化硼中的單自旋。藝術示意圖展示的是物鏡用線圈將激光聚焦在樣品上以進行自旋微波控制。圖片來源：埃莉諾·尼科爾斯/劍橋大學卡文迪許實驗室

在hBN中，單一的“原子缺陷”在環境條件下表現出自旋相干，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，能夠隨時間推移保留量子信息。

此次研究結果顯示，如果將特定的量子態信息傳輸到電子自旋上，這些信息就會被存儲約百萬分之一秒，這使該系統成為一個非常有前途的量子應用平臺。雖然百萬分之一秒很短，但難得的是這個系統不需要特殊條件，就可在室溫下存儲自旋量子態。

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合在一起。但有時，在這些層內部會存在“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射可見光范圍內的光，具有光學躍遷，并且可以充當電子的局部陷阱。由于hBN中的這些“原子缺陷”，科學家現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。

這一發現為未來的技術應用鋪平了道路，特別是在傳感技術方面。

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