六方氮化硼中硼空位自旋缺陷的中间激发态弛豫动力学

《SCIENCE ADVANCES》：Intermediate excited state relaxation dynamics of boron vacancy spin defects in hexagonal boron nitride

本研究针对二维材料六方氮化硼中极具潜力的硼空位自旋缺陷的激发态动力学尚不明确的问题，通过直接测量其光学泵浦循环中关键的中间态（IS）寿命，揭示了其自旋调控的瓶颈机制。研究人员在室温下测得中间态弛豫时间为24.0(3)纳秒，并发现低温下寿命加倍。基于此，他们优化了光学探测磁共振脉冲序列，显著提升了自旋操纵效率，为基于硼空位的量子传感器灵敏度优化奠定了关键基础。

　　

在量子科技领域，能够被光“看见”和操控的自旋缺陷，就像原子尺度的精密探针，为量子计算和超灵敏传感带来了希望。其中，金刚石中的氮-空位中心是明星材料，但它在三维块体材料中“深居简出”，虽然能免受环境干扰，却也拉长了它与被测样品的距离，降低了探测灵敏度，且表面缺陷会影响其稳定性。于是，科学家们将目光投向了原子级厚度的二维材料。六方氮化硼作为一种二维范德华材料，拥有高达6电子伏特的大带隙，是绝佳的绝缘衬底。更重要的是，它内部的一种点缺陷——带负电的硼空位（V_B^?）——是一种自旋三重态基态缺陷，有望突破三维材料的限制。与三维材料中的同类相比，它被精确限定在极薄的原子层内，能够无限接近被测物体，实现更灵敏的探测。因此，硼空位被视为构建二维量子传感器的理想候选者。

然而，尽管这种缺陷的应用潜力已被看好，研究人员对其光动力学的核心部分——特别是从激发态到基态的非辐射弛豫路径——却知之甚少。其中，一个被称为“中间态”的亚稳态扮演着关键角色，它是实现光学探测磁共振的基础，但关于它的弛豫速率此前多为理论预测，缺乏直接实验测量。这就像我们有了一个精密的工具，却不完全清楚其内部某个核心齿轮的运转速度，限制了我们对整个工具性能的优化。为了填补这一空白，并为高效量子传感铺平道路，一个研究团队在《SCIENCE ADVANCES》上发表了他们的最新成果，首次直接测量了六方氮化硼中硼空位中间态的寿命，并基于此显著优化了自旋操控效率。

研究人员主要运用了几项关键技术：首先，他们利用30千电子伏的氮离子束在六方氮化硼薄片上可控地制造硼空位缺陷。其次，他们搭建了基于高功率连续波激光的共聚焦显微镜系统，该激光具有快速的开关调制能力，结合时间相关单光子计数技术，用于测量光致发光的瞬态动力学。最后，他们结合连续波和脉冲光学探测磁共振技术，在室温及低温条件下，对缺陷的自旋态进行初始化、相干操控和读取。

能量结构与中间态的关键作用

硼空位的基态是一个自旋三重态，包含m_s= 0和m_s= ±1自旋子能级。其简化电子结构包括基态、激发态和一个被假定为单重态的中间态。系统的动力学由各能级间的跃迁速率决定。光学激发后，从m_s= ±1能级出发的激发自旋，比从m_s= 0能级出发的，更倾向于通过非辐射路径弛豫到中间态。而中间态向基态的弛豫速率又存在差异，这导致在连续光激发下，自旋会优先极化到m_s= 0基态。中间态在通过光致发光读取自旋信息以及初始化自旋系统方面至关重要，因此其实验寿命是设计高效激光与微波脉冲序列的关键参数。

基态再填充与中间态寿命的直接测量

为了探测被“搁置”在中间态的自旋的弛豫，研究人员采用了高功率激光脉冲激发。他们使用双激光脉冲序列，通过改变两个脉冲间的暗周期（无激光时间）来探测基态的再填充情况。实验观察到，在探测脉冲开始时，光致发光会出现一个初始的过冲峰，其强度随暗周期增长而增加。这是因为在暗周期内，中间态中“搁置”的电子弛豫回基态，补充了基态的自旋数量，从而导致再次激发时发出更强的光。通过对不同暗周期下过冲峰强度的分析，并利用指数函数拟合，研究人员在室温下直接测量出中间态弛豫到基态的时间常数T_IS= 24.0(3)纳秒。这一结果与此前基于模型拟合的预测值相近，但本研究提供了不依赖于复杂速率模型的直接测量方法。

中间态耗竭对脉冲光学探测磁共振的影响

接下来，研究团队探究了中间态弛豫对自旋相干操控效率的影响。在脉冲光学探测磁共振测量中，通常在用于自旋初始化的激光脉冲之后，会施加微波脉冲来操控自旋。如果在激光关闭后立即施加微波，此时仍有大量自旋“搁置”在中间态而未回到基态，这部分自旋无法被微波有效操控，导致光学探测磁共振对比度降低。为了验证这一点，他们在激光下降沿和微波脉冲之间引入了可变的“缓冲”延迟时间。实验测量了不同缓冲时间下的拉比振荡，发现随着缓冲时间增加，允许更多中间态自旋弛豫回基态，拉比振荡的振幅显著增大。当缓冲时间达到约150纳秒（约6倍中间态寿命）时，中间态几乎完全耗竭，此时获得了最高的自旋操控效率和光学探测磁共振对比度。1，短时间尺度上显示π脉冲效率随缓冲时间增加而提高。">

低温下的光致发光特性

研究还扩展到低温环境。随着温度从室温降低至4 K，硼空位的光致发光谱强度增加，半高全宽变窄，但未显示出零声子线等精细结构。同时，激发态寿命从室温下的约1.44纳秒增加至约3纳秒。更重要的是，在低温下测量中间态寿命变得更具挑战性，但数据显示其寿命显著增加，在4 K时可达约56纳秒，大约是室温值的两倍，尽管激光加热效应可能导致实际值更高。

本研究通过全光学瞬态光致发光测量，首次直接获取了二维材料六方氮化硼中硼空位自旋缺陷多能级系统的一个关键速率常数——中间态寿命。在室温下，该寿命为24纳秒，低温下会近似加倍。这一发现不仅验证了此前的理论预测，更为重要的是，它为指导脉冲光学探测磁共振实验的时序设计提供了精确依据。通过模拟，研究揭示了在不同激光功率下自旋系统的布居演化规律，指明了实现高自旋极化度所需的最优激光参数和初始化时间。

尤为关键的应用价值在于，研究团队将这一知识应用于优化自旋操控序列。他们明确证明，在初始化激光脉冲和微波操控脉冲之间引入一个约150纳秒的缓冲延迟，以允许中间态自旋完全弛豫回基态，可以显著提高自旋操控的效率和光学探测磁共振的对比度。具体而言，优化的π脉冲使对比度获得了近26%的相对提升。对于基于自旋系综的量子传感器，其灵敏度与可寻址自旋数的平方根成反比，因此这一提升意味着灵敏度有望提高约11%。

这项研究从根本上深化了人们对六方氮化硼中硼空位缺陷光物理和自旋动力学的理解，为解决其相干时间相对较短的瓶颈提供了实用策略。通过精确测定并利用中间态弛豫动力学，研究人员有效地提升了自旋缺陷的“可利用率”和操控保真度，为基于二维范德华材料中自旋缺陷的高性能量子传感、量子信息处理等应用奠定了坚实的技术基础。