中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室通過發(fā)展高純金剛石量子材料制備與固態(tài)自旋系統(tǒng)全噪聲譜表征技術(shù)，揭示了非局域自旋-晶格相互作用主導(dǎo)的新噪聲機(jī)制，并突破了該機(jī)制導(dǎo)致的相干時(shí)間經(jīng)驗(yàn)極限，實(shí)現(xiàn)了當(dāng)前室溫下具有最長(zhǎng)相干時(shí)間的單自旋系統(tǒng)。這項(xiàng)成果以“Solid-state spin coherence time approaching the physical limit”為題，于3月1日在線發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》(Science Advances)上。
 

　　發(fā)展在室溫下具有超長(zhǎng)量子相干時(shí)間的量子系統(tǒng)是量子科學(xué)技術(shù)的重要基礎(chǔ)。室溫固態(tài)自旋體系作為量子技術(shù)中的關(guān)鍵發(fā)展方向，過去幾十年通過材料合成和噪聲抑制技術(shù)在實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)相干時(shí)間單自旋系統(tǒng)方面已經(jīng)取得顯著進(jìn)展。但是在各種固態(tài)系統(tǒng)中，電子自旋相干時(shí)間始終未能突破 T2= T1/2的經(jīng)驗(yàn)極限(如圖1所示)，達(dá)不到量子體系熱耗散所導(dǎo)致的T 2=2T1物理極限，造成這一現(xiàn)象的內(nèi)在物理機(jī)制一直未被理解。
 

　　圖1：各固態(tài)自旋體系相干時(shí)間服從T2= T1/2經(jīng)驗(yàn)極限，其中T2表示自旋量子體系的相干時(shí)間，T1表示自旋量子體系的弛豫時(shí)間。引用參考文獻(xiàn)見鏈接正文。
 

　　為解決這一挑戰(zhàn)，本工作研究團(tuán)隊(duì)以金剛石中的單自旋系統(tǒng)為例，創(chuàng)新性地發(fā)展了高純金剛石量子系統(tǒng)的制備技術(shù)和固態(tài)自旋系統(tǒng)噪聲全頻譜表征技術(shù)。通過材料合成與物理調(diào)控技術(shù)的聯(lián)合創(chuàng)新，揭示了一種此前未曾發(fā)現(xiàn)的全新噪聲譜，從而為固態(tài)電子自旋相干時(shí)間受限于T2=T1/2經(jīng)驗(yàn)極限的現(xiàn)象提供了全新的物理理解(如圖2所示)。
 

　　圖2：弛豫譜探測(cè)技術(shù)發(fā)現(xiàn)新噪聲機(jī)制。(A)金剛石NV色心能級(jí)示意圖。(B)MHz-GHz的寬頻譜弛豫探測(cè)技術(shù)。(C)自旋態(tài)弛豫曲線。(D)弛豫譜構(gòu)建揭示在低于1MHz頻譜范圍內(nèi)的新噪聲。
 

　　基于對(duì)新噪聲機(jī)制的進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，非局域模式的自旋-晶格相互作用是當(dāng)前固態(tài)系統(tǒng)電子自旋相干時(shí)間受限于經(jīng)驗(yàn)極限的主導(dǎo)因素。這一發(fā)現(xiàn)突破了傳統(tǒng)觀點(diǎn)所認(rèn)為局域自旋-晶格相互作用作為主導(dǎo)機(jī)制的觀點(diǎn)。通過對(duì)這一新噪聲機(jī)制的深入理解，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)展了相應(yīng)的噪聲抑制技術(shù)，使得金剛石單自旋量子系統(tǒng)的相干時(shí)間首次突破了長(zhǎng)期以來(lái)的經(jīng)驗(yàn)極限，接近物理極限，實(shí)現(xiàn)了目前室溫下具有最長(zhǎng)相干時(shí)間 (4.34毫秒) 的單電子自旋系統(tǒng)。
 

　　圖3：相干時(shí)間超越經(jīng)驗(yàn)極限。(A)不同階動(dòng)力學(xué)解耦曲線。(B)相干時(shí)間隨不同動(dòng)力學(xué)解耦階數(shù)的變化，其中平臺(tái)區(qū)域?yàn)橥ǔＫ^測(cè)到的經(jīng)驗(yàn)極限，由(C)中所顯示的SE噪聲平臺(tái)區(qū)域所導(dǎo)致。當(dāng)解耦頻率超過該平臺(tái)頻率范圍后，相干時(shí)間逐步接近由熱耗散導(dǎo)致的2T1物理極限。(C)相干丟失的完整噪聲譜刻畫，由自旋-自旋噪聲(低頻區(qū):<1KHz)、傳統(tǒng)自旋晶格弛豫(高頻區(qū)：>1MHz)以及新發(fā)現(xiàn)的非局域自旋-晶格噪聲(1KHz-1MHz)共同主導(dǎo)。
 

　　該成果發(fā)展的技術(shù)為探索固態(tài)材料內(nèi)部豐富的相互作用機(jī)制提供了新的研究手段，能夠?yàn)閮?yōu)化各類固態(tài)量子系統(tǒng)提供理論指導(dǎo)，從而推動(dòng)固態(tài)量子技術(shù)的發(fā)展，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
 

　　中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后韓碩與葉翔宇、博士生周旭為論文共同第一作者，王亞教授為通訊作者。此項(xiàng)研究得到國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部等資助。