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在量子科技領域，找尋能夠在室溫下表現出量子效應的材料，一直是科學家們夢寐以求的目標。近期，來自英國劍橋大學卡文迪西實驗室（The Cavendish Laboratory, University of Cambridge）的研究人員，發現超薄二維材料「六方氮化硼」（hBN）存在單一「原子缺陷」，使它在室溫條件下展現出自旋相干性（spin coherence），且可透過光控制這些自旋態。自旋相干性指的是電子自旋可以在一段時間內保持量子資訊狀態的能力，是實現量子計算和量子傳感等應用的關鍵條件。這項發現，顯示hBN可能成為發展室溫固態量子技術的新型平臺材料，目前這項研究結果已刊登於《自然材料》（Nature Materials）期刊。
 
「自旋」（spin）是一種獨特的量子力學性質，也是構建量子位元和量子感測器的基礎。由於環境因素（例如熱噪音、磁場波動等）會導致自旋相干逐漸消失，因此傳統上要獲得穩定的自旋相干需要在極低溫、強磁場等嚴格的條件下才能實現。但本次劍橋大學研究團隊的實驗結果顯示，hBN材料中的單一原子缺陷能夠使此材料在室溫下保持自旋穩定，且時間長達1/100萬秒。此外，這種能在常溫常壓下表現出自旋特性的材料也相當罕見，未來有望應用於量子科技中。
 
六方氮化硼是一種由單原子層堆疊而成的超薄二維層狀材料，有點像是堆疊的紙張，不同層會透過分子之間的力結合。但在這些原子層中偶爾會存在原子缺陷，就像本來不該存在於其中的分子被困在了晶體內部。這些缺陷能夠吸收、發射可見光，具有明確的光學躍遷，並且能夠作為電子局部陷阱、捕獲電子。因此，科學家便可以在此材料中研究這些被捕獲電子的自旋特性，甚至是在室溫下利用光線控制、操縱電子自旋。
 
這項發現為未來的量子感測器、量子通訊技術帶來新希望。但要將它應用到實際技術中，科學家還有很多工作要做，例如需要進一步改善這些原子缺陷，以提高這項材料的應用性，並探索如何延長自旋時間、改善缺陷的穩定性和發光品質等。未來，科學家們將繼續深入探索六方氮化硼材料系統，開拓它在量子領域中的應用。

新聞來源
Stern, H. L. et al. (2024). A quantum coherent spin in hexagonal boron nitride at ambient conditions. Nature Materials.