在量子信息科學(xué)領(lǐng)域，金剛石中的單個(gè)氮空位（NV?）中心因其出色的自旋相干特性，成為了構(gòu)建量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)和高精度量子傳感等前沿技術(shù)的核心平臺(tái)。然而，傳統(tǒng)的制造方法往往會(huì)在金剛石晶格中引入損傷，從而限制了NV?中心自旋相干時(shí)間。近期，一項(xiàng)發(fā)表在《Chinese Physics Letters》上的研究，由曲阜師范大學(xué)的張曉冉、莊新宇以及劉曉兵帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)完成，他們通過高溫高壓（HPHT）退火技術(shù)，成功解決了這一難題，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)NV?中心自旋相干時(shí)間的重大突破。

       1、NV?中心的潛力與挑戰(zhàn)

       金剛石的NV?中心是一種特殊的點(diǎn)缺陷，由替位氮原子相鄰的碳空位構(gòu)成。它具有出色的自旋相干時(shí)間、光學(xué)穩(wěn)定性和精確的可尋址性。然而，NV?中心的自旋相干性能易受晶格畸變和局部應(yīng)力影響。傳統(tǒng)制造方法，如離子注入、激光或電子束照射等，雖然能有效產(chǎn)生NV?中心，但會(huì)破壞金剛石晶格，導(dǎo)致NV?中心的量子性能下降。

       2、高溫高壓退火的創(chuàng)新應(yīng)用

       研究團(tuán)隊(duì)采用高溫高壓（HPHT）退火的方法，這是一種非破壞性制造高自旋相干NV?中心的新途徑。他們發(fā)現(xiàn)，在5.5吉帕壓力下，金剛石在高溫下仍保持熱力學(xué)穩(wěn)定性，HPHT退火能有效抑制石墨化，同時(shí)促進(jìn)氮原子和空位的遷移，從而在?111?生長(zhǎng)區(qū)界面更易形成NV?中心。研究還表明，HPHT退火能夠減輕晶格畸變的影響，從而顯著提高NV?中心的自旋相干時(shí)間。

       3、超長(zhǎng)相干時(shí)間的實(shí)現(xiàn)

       實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)合成了高質(zhì)量的IIa型金剛石單晶，并在不同生長(zhǎng)方向（?111?和?100?）上切割、拋光成平行切片進(jìn)行特性研究。他們發(fā)現(xiàn)，在未經(jīng)處理的金剛石中，NV?中心主要分布在生長(zhǎng)區(qū)界面，而內(nèi)部區(qū)域則幾乎沒有。而在經(jīng)過HPHT退火處理后，單個(gè)NV?中心在金剛石內(nèi)部區(qū)域大量出現(xiàn)。更令人振奮的是，這些NV?中心的自旋相干時(shí)間得到了顯著提升。在?111?生長(zhǎng)區(qū)生長(zhǎng)的金剛石中，NV?中心的自旋相干時(shí)間（T2）達(dá)到了578微秒，而在低應(yīng)力區(qū)域自然形成的單個(gè)NV?中心的T2時(shí)間更是達(dá)到了721微秒，這是目前已知的自然豐度13C金剛石中NV?中心的最長(zhǎng)自旋相干時(shí)間之一。

      4、為量子技術(shù)鋪平道路

       這項(xiàng)研究不僅揭示了在HPHT金剛石中高自旋相干單個(gè)NV?中心的形成機(jī)制，還建立了一種可擴(kuò)展的制造方法，并確定了增強(qiáng)NV?中心自旋相干性的關(guān)鍵因素。這些發(fā)現(xiàn)為未來進(jìn)一步提高NV?中心的相干性提供了寶貴的指導(dǎo)，也為量子技術(shù)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過HPHT處理結(jié)合其他應(yīng)力工程技術(shù)，有望進(jìn)一步提升NV?中心的量子性能，從而推動(dòng)量子計(jì)算、量子通信和量子傳感等領(lǐng)域的發(fā)展。綜上所述，這項(xiàng)研究在金剛石NV?中心領(lǐng)域取得了重大突破，為量子技術(shù)的實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化提供了新的思路和方法。未來，隨著研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，我們有理由相信，金剛石NV?中心將在量子信息科學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮更加重要的作用。