在量子信息科學領域，金剛石中的單個氮空位（NV?）中心因其出色的自旋相干特性，成為了構建量子計算、量子網絡和高精度量子傳感等前沿技術的核心平臺。然而，傳統的制造方法往往會在金剛石晶格中引入損傷，從而限制了NV?中心自旋相干時間。近期，一項發表在《Chinese Physics Letters》上的研究，由曲阜師范大學的張曉冉、莊新宇以及劉曉兵帶領的團隊完成，他們通過高溫高壓（HPHT）退火技術，成功解決了這一難題，實現了單個NV?中心自旋相干時間的重大突破。

       1、NV?中心的潛力與挑戰

       金剛石的NV?中心是一種特殊的點缺陷，由替位氮原子相鄰的碳空位構成。它具有出色的自旋相干時間、光學穩定性和精確的可尋址性。然而，NV?中心的自旋相干性能易受晶格畸變和局部應力影響。傳統制造方法，如離子注入、激光或電子束照射等，雖然能有效產生NV?中心，但會破壞金剛石晶格，導致NV?中心的量子性能下降。

       2、高溫高壓退火的創新應用

       研究團隊采用高溫高壓（HPHT）退火的方法，這是一種非破壞性制造高自旋相干NV?中心的新途徑。他們發現，在5.5吉帕壓力下，金剛石在高溫下仍保持熱力學穩定性，HPHT退火能有效抑制石墨化，同時促進氮原子和空位的遷移，從而在?111?生長區界面更易形成NV?中心。研究還表明，HPHT退火能夠減輕晶格畸變的影響，從而顯著提高NV?中心的自旋相干時間。

       3、超長相干時間的實現

       實驗中，研究團隊合成了高質量的IIa型金剛石單晶，并在不同生長方向（?111?和?100?）上切割、拋光成平行切片進行特性研究。他們發現，在未經處理的金剛石中，NV?中心主要分布在生長區界面，而內部區域則幾乎沒有。而在經過HPHT退火處理后，單個NV?中心在金剛石內部區域大量出現。更令人振奮的是，這些NV?中心的自旋相干時間得到了顯著提升。在?111?生長區生長的金剛石中，NV?中心的自旋相干時間（T2）達到了578微秒，而在低應力區域自然形成的單個NV?中心的T2時間更是達到了721微秒，這是目前已知的自然豐度13C金剛石中NV?中心的最長自旋相干時間之一。

      4、為量子技術鋪平道路

       這項研究不僅揭示了在HPHT金剛石中高自旋相干單個NV?中心的形成機制，還建立了一種可擴展的制造方法，并確定了增強NV?中心自旋相干性的關鍵因素。這些發現為未來進一步提高NV?中心的相干性提供了寶貴的指導，也為量子技術的發展奠定了堅實的基礎。通過HPHT處理結合其他應力工程技術，有望進一步提升NV?中心的量子性能，從而推動量子計算、量子通信和量子傳感等領域的發展。綜上所述，這項研究在金剛石NV?中心領域取得了重大突破，為量子技術的實用化和產業化提供了新的思路和方法。未來，隨著研究的深入和技術的進步，我們有理由相信，金剛石NV?中心將在量子信息科學領域發揮更加重要的作用。