Nuclear spin polarization and control in hexagonal boron nitride

旋转 范德瓦尔斯力 物理 凝聚态物理 量子位元 自旋电子学 自旋(空气动力学) 原子物理学 量子 铁磁性 量子力学 分子 热力学
作者
Xingyu Gao,Sumukh Vaidya,Kejun Li,Peng Ju,Boyang Jiang,Zhujing Xu,Andres E. Llacsahuanga Allcca,Kunhong Shen,Takashi Taniguchi,Kenji Watanabe,Sunil A. Bhave,Yong P. Chen,Yuan Ping,Tongcang Li
出处
期刊:Nature Materials [Springer Nature]
卷期号:21 (9): 1024-1028 被引量:73
标识
DOI:10.1038/s41563-022-01329-8
摘要

Electron spins in van der Waals materials are playing a crucial role in recent advances in condensed-matter physics and spintronics. However, nuclear spins in van der Waals materials remain an unexplored quantum resource. Here we report optical polarization and coherent control of nuclear spins in a van der Waals material at room temperature. We use negatively charged boron vacancy ([Formula: see text]) spin defects in hexagonal boron nitride to polarize nearby nitrogen nuclear spins. We observe the Rabi frequency of nuclear spins at the excited-state level anti-crossing of [Formula: see text] defects to be 350 times larger than that of an isolated nucleus, and demonstrate fast coherent control of nuclear spins. Further, we detect strong electron-mediated nuclear-nuclear spin coupling that is five orders of magnitude larger than the direct nuclear-spin dipolar coupling, enabling multi-qubit operations. Our work opens new avenues for the manipulation of nuclear spins in van der Waals materials for quantum information science and technology.

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