我院郭光灿院士团队在二维范德瓦尔斯材料自旋色心领域取得重要进展。该团队李传锋、唐建顺研究组与北京计算科学研究中心的李颂副研究员以及匈牙利魏格纳物理研究中心Adam Gali教授等人合作，在二维材料二硫化锗（β-GeS₂）中成功观测到具有微秒量级相干时间的自旋色心，其相干时间是迄今在二维材料中报道的最长值，为未来实现高性能量子传感与信息处理提供了新平台。相关成果11月9日以“Experimental Observation of Spin Defects in the van der Waals Material GeS2”为题在线发表在知名学术期刊《Nano Letters》上。
自旋色心是固体中具有光学活性的电子自旋态，可作为量子比特用于量子计算、量子网络和量子传感等领域。然而，当前在二维材料中实现长寿命自旋操控仍面临挑战，尤其是由材料中核自旋引起的退相干问题。
研究团队选择β-GeS₂作为研究对象，该材料具有宽带隙（约3.7 eV）和可同位素纯化为无核自旋的晶格结构，理论预测其自旋相干时间可长达4.3毫秒。实验中，研究团队通过空气退火处理激活了材料中的自旋色心，并利用光学探测磁共振技术（ODMR），在室温和低温下均实现了对自旋的相干操控。在5 K温度下，该自旋色心的相干时间达到10.03微秒，是目前在二维材料中报道的最长值。研究还通过“光学自旋色心对”模型解释了其动力学行为，并结合理论计算提出了可能的色心结构来源。
图：a)β-GeS₂晶格结构示意图；b)β-GeS₂中自旋色心的常温光谱；c) 52.7 mT下自旋色心的ODMR信号。
尽管当前样品中仍存在杂质导致退相干，但该研究首次展示了β-GeS₂作为二维自旋宿主材料的巨大潜力。未来通过提升晶体质量、优化色心制备工艺，该材料有望在量子传感和量子信息处理中发挥重要作用。
中国科学技术大学博士后刘伟和北京计算科学研究中心的李颂副研究员为该论文共同第一作者。该工作得到了国家自然科学基金、安徽省自然科学基金、中国博士后科学基金、中国科学院、合肥国家实验室以及中科院青促会的支持。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c03575
（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）