中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室通过发展高纯金刚石量子材料制备与固态自旋系统全噪声谱表征技术，揭示了非局域自旋-晶格相互作用主导的新噪声机制，并突破了该机制导致的相干时间经验极限，实现了当前室温下具有最长相干时间的单自旋系统。这项成果以“Solid-state spin coherence time approaching the physical limit”为题，于3月1日在线发表在《科学进展》（Science Advances）上。
发展在室温下具有超长量子相干时间的量子系统是量子科学技术的重要基础。室温固态自旋体系作为量子技术中的关键发展方向，过去几十年通过材料合成和噪声抑制技术在实现长相干时间单自旋系统方面已经取得显著进展。但是在各种固态系统中，电子自旋相干时间始终未能突破 T2= T1/2的经验极限（如图1所示），达不到量子体系热耗散所导致的T 2=2T1物理极限，造成这一现象的内在物理机制一直未被理解。
图1：各固态自旋体系相干时间服从T2= T1/2经验极限，其中T2表示自旋量子体系的相干时间，T1表示自旋量子体系的弛豫时间。引用参考文献见链接正文。
为解决这一挑战，本工作研究团队以金刚石中的单自旋系统为例，创新性地发展了高纯金刚石量子系统的制备技术和固态自旋系统噪声全频谱表征技术。通过材料合成与物理调控技术的联合创新，揭示了一种此前未曾发现的全新噪声谱，从而为固态电子自旋相干时间受限于T2=T1/2经验极限的现象提供了全新的物理理解（如图2所示）。
图2：弛豫谱探测技术发现新噪声机制。（A）金刚石NV色心能级示意图。（B）MHz-GHz的宽频谱弛豫探测技术。（C）自旋态弛豫曲线。（D）弛豫谱构建揭示在低于1MHz频谱范围内的新噪声。
基于对新噪声机制的进一步研究发现，非局域模式的自旋-晶格相互作用是当前固态系统电子自旋相干时间受限于经验极限的主导因素。这一发现突破了传统观点所认为局域自旋-晶格相互作用作为主导机制的观点。通过对这一新噪声机制的深入理解，研究团队发展了相应的噪声抑制技术，使得金刚石单自旋量子系统的相干时间首次突破了长期以来的经验极限，接近物理极限，实现了目前室温下具有最长相干时间 (4.34毫秒) 的单电子自旋系统。
图3：相干时间超越经验极限。(A)不同阶动力学解耦曲线。(B)相干时间随不同动力学解耦阶数的变化，其中平台区域为通常所观测到的经验极限，由(C)中所显示的SE噪声平台区域所导致。当解耦频率超过该平台频率范围后，相干时间逐步接近由热耗散导致的2T1物理极限。(C)相干丢失的完整噪声谱刻画，由自旋-自旋噪声(低频区:<1KHz)、传统自旋晶格弛豫(高频区：>1MHz)以及新发现的非局域自旋-晶格噪声(1KHz-1MHz)共同主导。
该成果发展的技术为探索固态材料内部丰富的相互作用机制提供了新的研究手段，能够为优化各类固态量子系统提供理论指导，从而推动固态量子技术的发展，具有重要的科学意义和应用价值。
中国科学院微观磁共振重点实验室博士后韩硕与叶翔宇、博士生周旭为论文共同第一作者，王亚教授为通讯作者。此项研究得到国家自然科学基金委、科技部等资助。
论文链接：https://doi.org/10.1126/sciadv.adr9298
