中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室通過發展高純金剛石量子材料制備與固態自旋系統全噪聲譜表征技術，揭示了非局域自旋-晶格相互作用主導的新噪聲機制，并突破了該機制導致的相干時間經驗極限，實現了當前室溫下具有最長相干時間的單自旋系統。這項成果以“Solid-state spin coherence time approaching the physical limit”為題，于3月1日在線發表在《科學進展》(Science Advances)上。
 

　　發展在室溫下具有超長量子相干時間的量子系統是量子科學技術的重要基礎。室溫固態自旋體系作為量子技術中的關鍵發展方向，過去幾十年通過材料合成和噪聲抑制技術在實現長相干時間單自旋系統方面已經取得顯著進展。但是在各種固態系統中，電子自旋相干時間始終未能突破 T2= T1/2的經驗極限(如圖1所示)，達不到量子體系熱耗散所導致的T 2=2T1物理極限，造成這一現象的內在物理機制一直未被理解。
 

　　圖1：各固態自旋體系相干時間服從T2= T1/2經驗極限，其中T2表示自旋量子體系的相干時間，T1表示自旋量子體系的弛豫時間。引用參考文獻見鏈接正文。
 

　　為解決這一挑戰，本工作研究團隊以金剛石中的單自旋系統為例，創新性地發展了高純金剛石量子系統的制備技術和固態自旋系統噪聲全頻譜表征技術。通過材料合成與物理調控技術的聯合創新，揭示了一種此前未曾發現的全新噪聲譜，從而為固態電子自旋相干時間受限于T2=T1/2經驗極限的現象提供了全新的物理理解(如圖2所示)。
 

　　圖2：弛豫譜探測技術發現新噪聲機制。(A)金剛石NV色心能級示意圖。(B)MHz-GHz的寬頻譜弛豫探測技術。(C)自旋態弛豫曲線。(D)弛豫譜構建揭示在低于1MHz頻譜范圍內的新噪聲。
 

　　基于對新噪聲機制的進一步研究發現，非局域模式的自旋-晶格相互作用是當前固態系統電子自旋相干時間受限于經驗極限的主導因素。這一發現突破了傳統觀點所認為局域自旋-晶格相互作用作為主導機制的觀點。通過對這一新噪聲機制的深入理解，研究團隊發展了相應的噪聲抑制技術，使得金剛石單自旋量子系統的相干時間首次突破了長期以來的經驗極限，接近物理極限，實現了目前室溫下具有最長相干時間 (4.34毫秒) 的單電子自旋系統。
 

　　圖3：相干時間超越經驗極限。(A)不同階動力學解耦曲線。(B)相干時間隨不同動力學解耦階數的變化，其中平臺區域為通常所觀測到的經驗極限，由(C)中所顯示的SE噪聲平臺區域所導致。當解耦頻率超過該平臺頻率范圍后，相干時間逐步接近由熱耗散導致的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:<1KHz)、傳統自旋晶格弛豫(高頻區：>1MHz)以及新發現的非局域自旋-晶格噪聲(1KHz-1MHz)共同主導。
 

　　該成果發展的技術為探索固態材料內部豐富的相互作用機制提供了新的研究手段，能夠為優化各類固態量子系統提供理論指導，從而推動固態量子技術的發展，具有重要的科學意義和應用價值。
 

　　中國科學院微觀磁共振重點實驗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。此項研究得到國家自然科學基金委、科技部等資助。