npj: 2D材料的自旋相干—超长自旋相干时间

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宽带隙半导体中的深层缺陷具有顺磁自旋态的局域电子能级，因此它们有希望成为量子比特（quantum bits, qubits）的平台。自旋相干时间（T₂）是材料能否用于量子比特平台的关键参数，其通常通过Hahn-echo实验测量得到。在量子计算机中，为了实现量子误差校正，需要在T₂内执行至少10⁴个量子栅极操作，其相干时间需大于100 μs。量子传感器的灵敏度也可用长相干时间的量子比特来提高。同位素纯化是延长T₂的有效手段之一。具有低核自旋浓度的固体通常是理想的自旋量子比特材料。二维（2D）材料展示了各种有希望用作缺陷基自旋量子比特主体的特性。但诸如层状金矿石等许多2D材料的核自旋环境却非常复杂。

来自美国芝加哥大学和阿贡国家实验室的Giulia Galli教授等，利用自旋哈密顿量和团簇展开方法，研究了二维（2D）材料中缺陷的电子自旋相干性，其中包括δ掺杂层状金刚石、薄膜硅、MoS₂和h-BN。通过模拟揭示，材料的维度和晶体几何在控制固体中自旋量子比特退相干方面的作用，其重要性不亚于核自旋浓度。该研究的一个重要结果是，同位素纯化在二维环境中比在Si和C等传统三维材料中要有效得多。他们还证明，在二维材料中，在不牺牲核自旋的情况下，可在具有多核自旋环境的固体中设计出较长的自旋相干时间。此外，他们还发展了一套定量方法，用以研究高核自旋浴（I > 1/2）对缺陷自旋量子比特的自旋相干时间（T₂）的影响。他们确定了多个物理参数在控制量子比特退相干中的作用；这种定量研究对于寻找有前景的自旋量子比特骨架材料至关重要。总的来说，他们预测单层MoS₂、δ掺杂层状金刚石和薄膜硅可以作为自旋量子比特的骨架材料。然而对于h-BN，由于硼原子核具有较大的旋磁比，其T₂的优化较为困难。本研究预测经同位素纯化的MoS₂层的T₂约为30 ms。

该文近期发表于npj Computational Materials 5: 44 (2019)，英文标题与摘要如下，点击左下角“阅读原文”可以自由获取论文PDF。

Spin coherence in two-dimensional materials 

Meng Ye, Hosung Seo & Giulia Galli 

Spin defects in semiconducting solids are promising platforms for the realization of quantum bits. At low temperature and in the presence of a large magnetic field, the central spin decoherence is mainly due to the fluctuating magnetic field induced by nuclear spin flip-flop transitions. Using spin Hamiltonians and a cluster expansion method, we investigate the electron spin coherence of defects in two-dimensional (2D) materials, including delta-doped diamond layers, thin Si films, MoS₂., and h-BN. We show that isotopic purification is much more effective in 2D than in three-dimensional materials, leading to an exceptionally long spin coherence time of more than 30 ms in an isotopically pure monolayer of MoS₂.

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