动态解耦下自旋相干性的缩放。a 、使用N π重聚焦脉冲进行动态解耦测量，其中每个测量值均拟合为 exp[−( t / T DD ) α ]。b 、自旋相干时间T DD (紫色三角形) 与重聚焦脉冲数N π的关系。来源：《自然材料》 (2024)。DOI：10.1038/s41563-024-01887-z

科学家发现，层状二维材料中的“单原子缺陷”可以在室温下保留几微秒的量子信息，这凸显了二维材料在推进量子技术方面的潜力。

曼彻斯特大学和剑桥大学的研究人员使用一种名为六方氮化硼(hBN) 的薄材料发现了这一缺陷，它证明了自旋相干性——电子自旋可以在环境条件下保留量子信息的特性。他们还发现这些自旋可以用光控制。

到目前为止，只有少数固态材料能够做到这一点，这标志着量子技术向前迈出了重要一步。

发表在《自然材料》上的研究结果进一步证实，室温下可达到的自旋相干性比研究人员最初想象的要长。

这篇论文的合著者、剑桥大学卡文迪什实验室的博士后研究员卡梅姆·M·吉拉多尼 (Carmem M. Gilardoni) 说：“结果表明，一旦我们将某种量子态写到这些粒子的自旋上，电子，该信息的存储时间约为百万分之一秒，使该系统成为量子应用非常有前途的平台。

“这可能看起来很短，但有趣的是，这个系统不需要特殊条件——它甚至可以在室温下存储自旋量子态，并且不需要大磁铁。”

六方氮化硼（hBN）是一种超薄材料，由堆叠的单原子厚层组成，有点像纸张。这些层通过分子之间的力结合在一起，但有时，这些层之间存在微小的缺陷，称为“原子缺陷”，类似于内部被困有分子的晶体。这些缺陷可以吸收和发射我们可以看到的光，它们也可以充当电子的局部陷阱。

由于六方氮化硼中的缺陷，科学家现在可以研究这些被捕获电子的行为，特别是自旋特性，它允许电子与磁场相互作用。他们还可以在室温下利用光来控制和操纵这些缺陷内的电子自旋——这是以前从未做过的事情。

该论文的第一作者、英国皇家学会大学研究员兼曼彻斯特大学讲师 Hannah Stern 博士表示：“使用该系统向我们强调了新材料基础研究的力量。至于六方氮化硼系统，作为一个领域，我们可以利用其他新材料平台中的激发态动力学，用于未来的量子技术。

“每个新的有前途的系统都将扩大可用材料的工具包，并且朝这个方向迈出的每一个新步骤都将推动量子技术的可扩展实施。”

理查德·库里教授补充道：“量子技术材料的研究对于支持英国在这一领域的雄心壮志至关重要。这项工作代表了曼彻斯特大学研究人员在量子技术材料领域的另一项领先突破，进一步增强了该研究的国际影响力。”我们在这个领域的工作。”

尽管在技术应用足够成熟之前还有很多事情需要研究，但这一发现为未来的技术应用（特别是传感技术）铺平了道路。

科学家们仍在研究如何让这些缺陷变得更好、更可靠，目前正在探索如何延长自旋存储时间。他们还在研究是否可以优化对量子技术应用至关重要的系统和材料参数，例如缺陷随时间的稳定性以及缺陷发出的光的质量。

更多信息： Hannah L. Stern 等人，环境条件下六方氮化硼中的量子相干自旋，Nature Materials (2024)。DOI：10.1038/s41563-024-01887-z

期刊信息： 《自然材料》