中国科大揭示二维材料hBN中色心自旋弛豫的温度依赖特性

我校郭光灿院士团队在二维范德瓦尔斯材料固态自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺研究组与武汉理工大学吕海飞等人合作，实验研究二维材料六方氮化硼（hBN）中带负电荷的硼空位色心（V_B^–）中自旋态的两种弛豫过程，并利用理论模型对弛豫速率随温度的变化进行分析。其结果对影响V_B^–色心退相干过程的自旋-声子相互作用提供深入的理解，也对基于V_B^–色心的量子传感器实际应用具有指导意义。相关成果3月25日发表在知名学术期刊《物理评论快报》上。

hBN中的V_B^–色心作为具有光学可寻址特性的电子自旋系统，已被证实是量子传感领域极具潜力的候选材料。然而，在基于V_B^–色心的量子传感器实际应用中，可能出现机械振动或热量积累等因素造成的局域温度升高现象。由于V_B^–色心中存在的温度依赖性弛豫，温度变化会影响其自旋相干时间，进一步影响传感器的性能。

研究团队选择以hBN中的V_B^–色心为研究对象，测量了198-393 K温度范围内自旋态∣0〉∣±〉间的弛豫速率（即单量子弛豫，简称为SQ）和自旋态∣+〉〡-〉间的弛豫速率（即双量子弛豫，简称为DQ），并发现两种弛豫速率均随温度的升高而增大。其中DQ弛豫速率增速更快，在超过393K后数值将超过SQ弛豫速率数值的3倍，即DQ将在由自旋-声子相互作用导致的退相干过程中起主要贡献作用。

此外，研究通过建立基于二阶自旋-声子相互作用的理论模型描述SQ和DQ两种弛豫速率的温度变化，其结果与实验数据基本符合。通过进一步将理论模型简化成自旋与3种有效声子模式（对应能量分别为23.48,77.39和165.75meV）耦合，再对实验数据进行拟合，其结果和理论预测也基本一致。

图：（a）V_B^–色心简化的基态三重态，∣0〉∣±〉的弛豫速率记作Ω，∣+〉〡–〉的弛豫速率记作γ；（b）V_B^–色心的声子态密度图像，选取三个峰值为有效声子模式；（c）温度依赖的Ω和γ拟合曲线与理论计算曲线的对比。

本研究为V_B^–色心温度依赖性的退相干路径提供了有价值的见解，对超过393K后影响V_B^–色心相干时间的弛豫行为进行预测，这种研究方法具有延伸到hBN中其他自旋色心的潜力，对传感领域具有重要意义。

中国科学技术大学博士生解琳珂、博士后刘伟和武汉理工大学硕士生黄凯宇为该论文共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院、合肥国家实验室、中国科学院青促会以及中国科学技术大学-六盘水师范学院对口合作发展联合基金的支持。

论文链接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/w99d-d6nt

（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）