科技前沿｜金刚石NV色心材料相干时间超过11秒！

近日，日本东北大学团队依托同位素工程制备的高纯度金刚石氮-空位（NV）色心，实现了长达11.2秒的电子自旋相干时间，一举刷新固态量子自旋体系相干时间的最高纪录。相关成果以《同位素工程金刚石中长达十秒的电子自旋相干时间》（Ten-Second Electron-Spin Coherence in Isotopically Engineered Diamond）为题，暂发布于预印本文库arXiv上，收录归类为Quantum Physics方向，暂未正式见刊。这一成果不仅在时间尺度上实现数量级跃升，也为量子信息的长时存储与处理提供了关键支撑。

在量子通信、量子传感与量子计算领域，固态自旋是极具潜力的核心物理体系之一，而长自旋相干时间与相干光学跃迁特性是实现高性能量子节点的关键。尽管目前金刚石、碳化硅和硅基材料中的色心体系已经实现了较长的电子自旋相干时间，但如何进一步理解、调控和抑制各类噪声，在保留色心相干光学跃迁能力的同时延长自旋相干时间，仍是当下亟待突破的关键课题。

近期，日本东北大学团队在同位素纯化的金刚石中取得里程碑式突破：成功将NV色心电子自旋相干时间提升至11.2秒，创下固态单电子自旋相干时长新纪录，为高保真量子比特操控奠定了材料基础。

研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术在(111)面金刚石衬底表面开展定向生长。相较于常用的(100)面，(111)面更易引入杂质，生长界面更容易形成孪晶，外延生长难度更高；但(111)面也具备多重核心优势：单模光纤耦合的光学探测效率更高、便于外磁场与NV色心的[111]轴向精准对准，同时能让CVD生长过程中生成的NV色心优先沿垂直表面的[111]轴向规则排布。此外，直接沿着(111)面生长金刚石，可制备大尺寸的同位素改性层，并有利于实现同位素组分的精准调控。

研究团队采用低位错高温高压IIa型单晶金刚石作为衬底，工艺气体采用高纯氢气（纯度＞99.999%）、天然碳丰度甲烷（¹³C占比1.1%，纯度＞99.9995%）、同位素富集高纯甲烷（¹²C＞99.99%，纯度＞99.9%）。生长过程中MPCVD腔体总压为120Torr，表面温度915±25℃，微波功率低于500W，同时采用低甲烷浓度生长条件（CH₄/H₂<0.08%），混合气中氮杂质含量可控制在ppb级及以下，金刚石生长速率控制在0.7 μm/h以内。低速生长有利于维持台阶流生长模式，抑制(111)表面二次成核，最终获得表面平整、整体位错密度极低的外延薄膜。

外延层中的¹³C的浓度，则通过混合天然丰度甲烷与¹²C富集甲烷实现精准调控；两种气源独立输送，流量区间分别为0.06–3sccm和0.1–5sccm（标准立方厘米每分钟）。本工艺可实现¹³C浓度连续调控的范围为：0.0139%～1.0456%。

通过不同的气体比例和流速，团队生长了¹³C浓度为0.0013%（13 ppm）的金刚石样品（福冈样品）以及¹³C浓度依次为0.0442%、1.0937%、0.1949%、0.0013%的四层梯度金刚石样品（香川样品）作为对照组。其中，由于福冈样品生长时的甲烷流量极低、生长速度极慢，因此氮杂质含量更高（下限1–4 ppb，上限小于26 ppb），生长完成后便存在NV色心，且优先沿垂直表面的 [111] 晶向定向排列，也是 (111) 面金刚石生长的典型规律。而香川样品生长时的甲烷流量较高、生长速度较快，因此氮杂质含量更低（下限0.1–0.5 ppb，上限小于3.2 ppb），样品中未检测到天然的NV色心。因此研究人员采用2 MeV的电子辐照（注量5×10¹¹cm⁻²），并在真空1000℃下高温退火2小时，人工制备了NV色心。

接下来，团队对两个金刚石样品中的NV色心开展了电子自旋相干测试，逐一分析了二者的拉姆齐相干时间T₂^∗、哈恩回波相干时间T₂^Hahn与CPMG动力学解耦相干时间T₂^DD。

拉姆齐相干实验表明，¹³C浓度为0.0013%的样品中的横向相干（弛豫）时间T₂^∗≈300μs，远低于¹³C自旋浴单独限制下的理论值2ms，表明存在另一类噪声源主导NV色心的退相干。

哈恩回波测试结果显示，所有样品T₂^Hahn差异较小，普遍仅有约2ms，远低于纯¹³C自旋浴限制下的理论极限（¹³C浓度为0.0013%时可达800ms）。研究团队并未采用屏蔽磁场、优化设备布局等物理隔离方案，而是将自旋回波序列与50 Hz工频时序同步，实现了工频噪声主动抑制，将T₂^Hahn提升至6.8(1)ms，创下固态单电子自旋量子比特最高纪录。

研究团队进一步开展CPMG多脉冲动力学解耦测试，对50～450Hz的交变磁场噪声开展精细化定量分析，实验证实50Hz工频干扰是中低脉冲数条件下，制约CPMG相干性能的主导噪声源。

（50Hz=1/20ms；图中各序列在20ms/40ms/60ms/80ms处均出现噪声）

最后，研究团队不断提升CPMG解耦脉冲数量，探究了超长时序下的自旋相干演化规律。当解耦脉冲增加至24000个时，实现了11.2(8)s的电子自旋相干时间，再次刷新了固态体系单电子自旋相干时长世界纪录。

本研究指出，在低¹³C的高纯金刚石中，相干不再受¹³C核自旋浴的限制，过度提纯同位素的效益非常有限。此时50Hz工频磁场会成为限制T₂^∗、T₂^Hahn的关键噪声。未来进一步提升自旋相干性能，需同位素优化、外部磁场屏蔽与金刚石本征杂质的协同调控。

本研究建立的高纯(111)面同位素纯化金刚石生长技术，50Hz工频磁场抑制方案以及刷新纪录的超长相干时长，不仅展示了固态量子体系在性能上的巨大潜力，还将进一步推动色心量子比特的自旋操控技术升级，为基于固态色心的量子网络建设奠定重要基础。