DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09258-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40634604
تاريخ النشر: 2025-07-09
المؤلف: Xingyu Gao وآخرون
الموضوع الرئيسي: أبحاث الفيزياء الذرية ودون الذرية
نظرة عامة
في هذه الدراسة، ي报告 المؤلفون الكشف الناجح والتحكم المتماسك في دوران نواة واحدة من \(^{13}\text{C}\) باستخدام عيوب دوران أحادية من نيتريد البورون السداسي (hBN) في درجة حرارة الغرفة. يحددون ثلاث مجموعات متميزة من العيوب في عينات hBN المزروعة بـ \(^{13}\text{CO}_2\) بناءً على طيف الرنين المغناطيسي المكتشف بصريًا (ODMR). تكشف النتائج عن وجود كل من حالات الدوران \(S = \frac{1}{2}\) و \(S = 1\) داخل مجمع عيب دوران واحد من hBN، مما يظهر التماسك الكمي في درجة حرارة الغرفة مع تباين ODMR يصل إلى 200%. يمكن قراءة حالة الدوران الإلكتروني بشكل فعال باستخدام نبضة ليزر تبلغ حوالي 5 ميكروثانية، محققة كفاءة قراءة من لقطة واحدة تبلغ \(\eta = 0.12\).
توضح الأبحاث أيضًا تهيئة والتحكم المتماسك وقراءة دوران نواة واحدة من \(^{13}\text{C}\) من خلال التلاعب بالترددات الفردية داخل الهياكل الفائقة الدقة لعيوب الدوران في كل من المجموعة II والمجموعة III. من الجدير بالذكر أن أوقات التماسك لدوران النواة أطول بكثير من تلك الخاصة بالدوران الإلكتروني في hBN، مما يشير إلى إمكاناتها كسجلات كمية طويلة العمر. إن الجمع بين الهياكل الفائقة الدقة المحللة جيدًا، وكفاءة القراءة العالية، وأوقات التماسك الممتدة يضع هذا النهج كمسار واعد لقراءة من لقطة واحدة لدوران النواة الفردية، وهو أمر أساسي لتنفيذ بروتوكولات تصحيح الأخطاء الكمية وتعزيز قدرات الاستشعار الكمي مع عيوب دوران hBN الفردية.
نقاش
في هذه الدراسة، نحقق في عيوب الدوران المتعلقة بالكربون في نيتريد البورون السداسي (hBN) التي تم إنشاؤها من خلال زراعة أيونات $^{13}\text{CO}_2$ والتسخين الحراري اللاحق. تظهر العيوب الناتجة طيفًا بصريًا متميزًا وتظهر خصائص انبعاث فوتون واحد، كما تم تأكيده من خلال قياسات ارتباط الفوتونات. باستخدام الرنين المغناطيسي المكتشف بصريًا (ODMR)، نصنف العيوب إلى ثلاث مجموعات بناءً على ميزاتها الطيفية، مما يكشف عن هياكل فائقة التعقيد وترددات متعددة. من الجدير بالذكر أننا نلاحظ كل من حالات الدوران $S = 1/2$ و $S = 1$ داخل نفس مجمع العيب، مما يدعم نموذج زوج الدوران المقترح حيث تتزاوج دوران الإلكترونين بشكل مختلف مع دوران النواة القريبة.
علاوة على ذلك، نثبت بنجاح التحكم المتماسك في دوران نواة فردية من $^{13}\text{C}$ المرتبطة بهذه العيوب. من خلال استخدام بروتوكول بوابة SWAP، نحقق استقطاب دوران النواة بنسبة تقارب 43% ودرجة دقة عالية تبلغ 99.75% لعمليات دوران النواة. تسلط نتائجنا الضوء على إمكانات هذه العيوب المتعلقة بالكربون في hBN كمنصات قوية لتطبيقات المعلومات الكمية، حيث تقدم كيوبتات دوران طويلة العمر والقدرة على التلاعب بدوران النواة في درجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى ذلك، توفر الحسابات من المبادئ الأساسية رؤى حول الهياكل الكيميائية للعيوب، مما يوضح تفاعلاتها الفائقة الدقة ويدعم الملاحظات التجريبية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-09258-7
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40634604
Publication Date: 2025-07-09
Author(s): Xingyu Gao et al.
Primary Topic: Atomic and Subatomic Physics Research
Overview
In this study, the authors report the successful detection and coherent control of single \(^{13}\text{C}\) nuclear spins utilizing single hexagonal boron nitride (hBN) spin defects at room temperature. They identify three distinct groups of defects in \(^{13}\text{CO}_2\)-implanted hBN samples based on their optically detected magnetic resonance (ODMR) spectra. The findings reveal the presence of both \(S = \frac{1}{2}\) and \(S = 1\) spin states within a single hBN spin defect complex, demonstrating quantum coherence at room temperature with an ODMR contrast of up to 200%. The electronic spin state can be effectively read out using a laser pulse of approximately 5 μs, achieving a single-shot readout efficiency of \(\eta = 0.12\).
The research further illustrates the initialization, coherent control, and readout of a single \(^{13}\text{C}\) nuclear spin through the manipulation of individual resonances within the hyperfine structures of spin defects in both group II and group III. Notably, the coherence times of the nuclear spins are significantly longer than those of the electronic spins in hBN, suggesting their potential as long-lived quantum registers. The combination of well-resolved hyperfine structures, high readout efficiency, and extended coherence times positions this approach as a promising avenue for single-shot readout of individual nuclear spins, which is essential for implementing quantum error-correction protocols and enhancing quantum sensing capabilities with single hBN spin defects.
Discussion
In this study, we investigate carbon-related spin defects in hexagonal boron nitride (hBN) created through the implantation of $^{13}\text{CO}_2$ ions and subsequent thermal annealing. The resulting defects exhibit distinct optical spectra and demonstrate single-photon emission characteristics, as confirmed by photon-correlation measurements. Utilizing optically detected magnetic resonance (ODMR), we categorize the defects into three groups based on their spectral features, revealing complex hyperfine structures and multiple resonances. Notably, we observe both $S = 1/2$ and $S = 1$ spin states within the same defect complex, supporting a proposed spin-pair model where two electron spins couple differently to nearby nuclear spins.
Furthermore, we successfully demonstrate coherent control of individual $^{13}\text{C}$ nuclear spins associated with these defects. By employing a SWAP gate protocol, we achieve nuclear spin polarization of approximately 43% and a high fidelity of 99.75% for nuclear spin operations. Our findings highlight the potential of these carbon-related spin defects in hBN as robust platforms for quantum information applications, offering long-lived spin qubits and the ability to manipulate nuclear spins at room temperature. Additionally, first-principles calculations provide insights into the chemical structures of the defects, further elucidating their hyperfine interactions and supporting the experimental observations.