各位朋友们，大家好。看到之前的喜报，大家应该知道，我司最近拿到了一位用户的hBN色心量子比特测量系统的订单，因此为了更好地推进这方面的应用测试，从本期开始，我司推出“探索二维量子前沿：六方氮化硼色心的奇妙世界”系列文章，本篇为第一辑：从钻石到二维材料：量子传感与信息的新载体——hBN色心初探。如大家所知道的，六方氮化硼（hBN）中的色心作为新兴的量子发射体，因其优异的光学性能和与纳米器件的天然兼容性而备关注。对于其光学特别是量子特性表征，主要有三类形式：

• 单光子发射特性：二阶关联函数g2(0)
• 单电子自旋劈裂：光探测磁共振（Optically detected magnetic reasonace, ODMR）
• 自旋相干时间：光探测拉比振荡（Optically detected Rabi oscillations）对于以上的三种探测，我司都可以提供系统解决方案。

系列导读：

     在量子科技的竞赛中，科学家们一直在寻找理想的“量子比特”——一种既能被精确操控又能长时间保持量子状态的微观体系。钻石中的氮空位（NV）色心曾独占鳌头，但如今，一种来自二维材料家族的“暗马”——六方氮化硼（hBN）中的色心，正以其更明亮的光辉、与现代纳米技术无与伦比的兼容性，强势闯入聚光灯下。本系列将带您深入这片新兴的量子材料前沿，全方位解读hBN色心的诞生、操控、表征与未来应用。

     从钻石到二维材料：量子传感与信息的新载体——hBN色心初探

引言：瑕疵之美

     在宝石学中，晶莹剔透、毫无瑕疵是最高追求。然而在量子物理学中，情况恰恰相反。晶体中某些特定的原子缺陷，因其能捕获电子并表现出奇特的量子效应，成为了科学家们的宠儿。这些缺陷被称为“色心”（Color Center），它们如同宇宙中的星辰，在微观的晶体宇宙中熠熠生辉，并成为存储和操控量子信息的理想平台。

钻石NV色心：辉煌与局限

     过去二十年，钻石中的氮空位（NV）色心是当之无愧的明星。它是一个由一个氮原子取代一个碳原子，并 adjacent 一个碳原子空位组成的复杂缺陷。其电子自旋状态可以被激光初始化、用微波精确操控、并通过荧光信号读取，且其在室温下具有极长的量子相干时间。这使其成为量子计算、量子传感和量子网络的强大候选者。

然而，NV色心有其固有的局限性：

1. 集成难题：钻石是一种极硬的体材料，难以与现有的硅基光子芯片或电子器件实现大规模、纳米尺度的集成。

2. 提取效率低：钻石的高折射率（~2.4）导致大部分光子被困在内部，无法被有效收集，限制了其作为单光子源的亮度。

3. 制备挑战：尽管技术不断进步，但在纳米精度上确定性制造单个NV色心仍然成本高昂且技术复杂。

二维材料的黎明：六方氮化硼（hBN）

     就在科学家们寻求突破时，二维材料领域爆发了。其中，六方氮化硼（hBN）脱颖而出。它由硼和氮原子交替排列成蜂窝状晶格，结构与石墨烯极其相似，被誉为“白色石墨烯”。

hBN拥有诸多非凡特性：

· 宽带隙绝缘体（~6 eV）：这意味着它几乎不导电，是理想的衬底或绝缘层，能很好地隔离色心免受电子噪声干扰。

· 原子级平坦且无悬挂键：其表面异常平整，为其他二维材料提供了完美的支撑平台。

· 高化学稳定性和热稳定性：不易分解，能在各种恶劣环境下工作。

· 天然的双曲性：在其剩余射线带（Reststrahlen band）内，它能以非常规的方式引导和增强光线，为操控色心发光提供了新途径。

hBN色心的崛起：新星的独特优势

     当hBN中存在原子缺陷时，就形成了hBN色心。它们并非单一物种，而是一个庞大的“家族”，如负硼空位（Vb-）、氮空位、碳相关缺陷等。这些色心展现出令人振奋的优势：

1. 卓越的光学性能：许多hBN色心在室温下就能发射出明亮且稳定的荧光。更关键的是，它们通常具有极高的德拜-瓦勒因子（Deutsch-Waller factor），这意味着其发射的光子有很大比例集中在零声子线（Zero-Phonon Line, ZPL） 上，光子性质更纯，是更高质量的量子光源。

2. 天然的集成兼容性：原子级的厚度是革命性的。hBN色心可以直接被转移到预设计的纳米光子结构（如光学微腔、等离子体激元纳米天线、波导）之上或之内，实现极高效的光子收集和操控，解决了钻石NV色心的提取效率难题。

3. 广阔的光谱覆盖：不同的hBN色心发射波长从深紫外（~215 nm）一直延伸到近红外（~850 nm及以上），这为量子技术提供了一个“色心工具箱”，可以根据不同应用（如与原子量子记忆接口、生物相容性成像）选择不同波长的光源。

4. 潜在的更高操作温度：一些初步研究表明，某些hBN色心可能在高于室温的条件下仍能进行自旋操控，这大大降低了量子传感的应用门槛。

创造与寻找：hBN色心的制备

     科学家们主要通过两种方式“创造”色心：

· 离子注入：用高能离子束（如氦、氮、碳离子）轰击hBN，有控制地轰出晶格原子，形成空位。

· 退火处理：通过高温退火，使已有的缺陷（如自然生长缺陷）迁移、重组，形成更稳定、发光更亮的色心。

随后，使用低温共聚焦显微镜系统，在液氦温度（4K）下对样品进行逐点扫描，通过探测其荧光来“大海捞针”般地找到单个色心。

结语

     hBN色心的出现，标志着量子技术从三维体材料向二维范德华材料平台的重要转变。它以其与生俱来的集成优势和优异的光学性质，为我们打开了一扇通往更紧凑、更高效、功能更丰富的量子器件的大门。下一篇文章，我们将深入探讨如何验证这些量子发射器的“单身贵族”身份——单光子发射。