[论文解读] Quantum sensing and imaging with spin defects in hexagonal boron nitride

Sumukh Vaidya, Xingyu Gao+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 22, 2023

Diamond and Carbon-based Materials ResearchMaterials Science被引用 3

一句话总结

本综述探讨了六方氮化硼（hBN）中自旋缺陷，特别是带负电的硼空位（V_B⁻）在纳米尺度和微米尺度量子传感与成像中的应用。利用hBN的二维结构、高稳定性以及可光学操控的自旋特性，该论文展示了通过光学初始化、微波调控和光致发光读出，在低温条件下将相干时间延长至36 µs，通过动态解耦协议实现800 ns的相干时间，从而实现对磁场、温度、应变、核自旋和射频信号的高灵敏度检测。

ABSTRACT

Color centers in hexagonal boron nitride (hBN) have recently emerged as promising candidates for a new wave of quantum applications. Thanks to hBN's high stability and 2-dimensional (2D) layered structure, color centers in hBN can serve as robust quantum emitters that can be readily integrated into nanophotonic and plasmonic structures on a chip. More importantly, the recently discovered optically addressable spin defects in hBN provide a quantum interface between photons and electron spins for quantum sensing applications. The most well-studied hBN spin defects, the negatively charged boron vacancy ($V_B^-$) spin defects, have been used for quantum sensing of static magnetic fields, magnetic noise, temperature, strain, nuclear spins, paramagnetic spins in liquids, RF signals, and beyond. In particular, hBN nanosheets with spin defects can form van der Waals (vdW) heterostructures with 2D magnetic or other materials for in situ quantum sensing and imaging. This review summarizes the rapidly evolving field of nanoscale and microscale quantum sensing with spin defects in hBN. We introduce basic properties of hBN spin defects, quantum sensing protocols, and recent experimental demonstrations of quantum sensing and imaging with hBN spin defects. We also discuss methods to enhance their sensitivity. Finally, we envision some potential developments and applications of hBN spin defects.

研究动机与目标

• 总结近期在利用六方氮化硼（hBN）中自旋缺陷进行量子传感与成像方面的进展，hBN是一种具有高稳定性和低表面噪声的二维范德华材料。
• 解决传统量子传感器（如金刚石中的NV中心）的局限性，特别是与表面相关的退相干和集成挑战。
• 突出hBN自旋缺陷在纳米光子学和等离子体平台中实现原位、高分辨率传感的潜力。
• 回顾提升自旋相干时间与光致发光强度的方法，以提高传感灵敏度。
• 展望未来在量子传感、自旋光机械学以及与二维异质结构集成中的应用。

提出的方法

• 利用hBN中带负电的硼空位（V_B⁻）缺陷作为自旋量子比特，通过绿光激发实现光学初始化。
• 采用微波脉冲实现自旋的相干操控，并通过光学检测磁共振（ODMR）中光致发光强度的变化实现读出。
• 应用如CPMG和调幅串联动态解耦（CCD）等动态解耦序列，以延长自旋相干时间（T₂）。
• 实施对无序具有鲁棒性的协议（如DROID），以增强强相互作用自旋系统中的相干性。
• 通过同位素纯化（如¹⁰B）和低温冷却减少退相干，提升T₂。
• 制备hBN纳米片及与二维磁性或等离子体材料构成的范德华异质结构，以实现原位传感和增强的场耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 hBN自旋缺陷如何在环境条件下实现对磁场、温度、应变和核自旋的高灵敏度、纳米尺度量子传感？
• RQ2 哪些关键机制与协议能够将hBN中V_B⁻缺陷的自旋相干时间（T₂）延长至超越本征极限？
• RQ3 hBN的二维特性如何实现与纳米光子学和等离子体结构的集成，以增强传感与成像性能？
• RQ4 利用hBN自旋缺陷阵列实现亚衍射极限空间分辨率的量子成像前景如何？
• RQ5 未来材料工程与控制策略（如同位素纯化、缺陷工程）如何进一步提升基于hBN的量子传感器性能？

主要发现

• hBN中的V_B⁻自旋缺陷表现出可光学操控的自旋态，在室温下T₂可达4 µs，低温条件（50 K）和强磁场（3.2 T）下可延长至36 µs。
• 调幅串联动态解耦（CCD）将未保护的V_B⁻自旋相干时间延长至800 ns，而受保护的叠加态量子比特的T₂最高可达800 ns。
• DROID协议在强相互作用自旋系统中实现了最高达500 ns的相干时间，证明了其对无序的鲁棒性。
• 利用氦离子显微镜制备了面积为100 nm²的V_B⁻缺陷阵列，实现了在一维上超越衍射极限的磁场成像。
• 通过¹⁰B同位素纯化，相干时间从46 ns提升至62 ns，尽管提升幅度有限。
• 理论与实验证据表明，hBN自旋缺陷在自旋光机械学、高次谐波生成和量子模拟等领域具有潜力，归因于其低质量与强自旋-晶格耦合特性。