Nitrogen Vacancy Centers in Hexagonal Diamond Exhibit Long Coherence Times

想象一个由微小、隐形的计算机组成的世界，在那里，信息不是存储在 0 和 1 的比特中，而是存储在单个电子的自旋中，就像一个可以指向向上、向下或同时指向两者的旋转陀螺。这就是量子计算领域，它承诺解决当今超级计算机也无法处理的复杂问题。但问题在于：这些量子陀螺非常脆弱。环境中最轻微的热量波动或微小的磁性扰动都会让它们翻倒，在信息被使用之前就将其搅乱。科学家们一直在寻找完美的“旋转陀螺”来制造这些计算机，多年来，他们一直关注着普通钻石中一种被称为氮в空心（Nitrogen-Vacancy，简称 NV）中心的特定缺陷。可以将这个缺陷想象成钻石内部的一个微型、发光的灯塔，可以通过光来开关，并通过微波进行控制。核心问题一直是：我们能否找到一种比现有版本更稳定的“灯塔”，能够让其自旋保持得更久而不倒下？

这篇论文深入探讨了普通钻石的一种罕见、异质的近亲——ลอนส์代尔石（lonsdaleite），或称六方金刚石。普通钻石的结构像完美的立方体堆叠，而ลอนส์代尔石则是以六角形图案堆叠的，就像蜂窝一样。研究人员利用强大的计算机模拟，观察了在六角形蜂窝结构中创建这种相同的“灯塔”缺陷时会发生什么。他们发现，六角形钻石提供了一个特殊的扭转：该缺陷可以处于两个不同的位置。其中一个位置看起来与我们熟悉的旧版钻石缺陷几乎一样，但另一个位置则略显“被挤压”或不对称。令人惊讶的是，这个被挤压的版本竟然是保持自旋的冠军。模拟表明，这种六角形钻石中的不对称缺陷可以在零磁场下保持约 3.73 毫秒的量子信息。这听起来可能很短，但在量子世界里，这是一个巨大的飞跃——大约是普通立方金刚石最佳性能的四倍。作者认为，只要我们能在实验室中培育出这些六角形钻石并找到这些特定的缺陷，这些“被挤压”的缺陷就能成为构建更稳健的量子传感器和计算机的秘密武器。

被挤压钻石的故事

为了理解为什么这很重要，让我们先来看看这场戏剧上演的舞台：钻石。你知道钻石是坚硬、透明的宝石，但在原子层面，它们只是由碳原子手拉手组成的网格。有时，大自然会犯错：一个碳原子缺失了（空位），而一个氮原子溜进来填补了它的位置。这对组合就是氮в空心（NV）中心。在普通的立方金刚石中，这个缺陷就像一个完美的对称旋转陀螺。它很出色，但有一个弱点：如果周围的磁场哪怕只有极其微小的晃动，这个陀螺就会感到困惑并迅速失去自旋。

本研究中的研究人员提出了一个简单的问题：如果我们把同样的缺陷放入另一种类型的钻石中会怎样？他们没有使用通常的立方堆叠，而是观察了 lonsdaleite，这是一种在陨石中天然存在且最近才在实验室中制备出来的六角形版本金刚石。在这种六角形蜂窝结构中，NV 缺陷可以以两种方式存在。作者将它们称为“AA”和“AB”。

AA 配置是“模仿者”。它位于一个保持了传统钻石完美对称性的位置。正如模拟所示，它的表现与旧式的钻石缺陷几乎完全一致。它很可靠，但没有提供任何新的超能力。

然而，AB 配置却是“叛逆者”。由于六角形蜂窝结构的构造方式，这个缺陷被挤压成了一种打破完美对称性的形状。这就像是将一个完美的圆形旋转陀螺轻轻按压，直到它变成略微椭圆形的形状。你可能会认为打破对称性会让情况变得更糟，但奇迹就在这里：这种“被挤压”的形状实际上更好地保护了自旋。

“时钟跃迁”的魔力

为什么被挤压会有帮助？论文通过“零场分裂”（Zero-Field Splitting, ZFS）的概念解释了这一点。想象一下旋转陀螺的能量层级就像梯子的横档。在完美的对称钻石中，其中两个横档处于完全相同的高度。当磁场晃动时，很容易将陀螺从这些横档上推离。

但在被挤压的 AB 缺陷中，这种对称性被打破了。这两个横档不再处于同一高度，而是被特定的间距隔开。研究人员发现，这种间距在零磁场处创造了一个特殊的“甜蜜点”。在这个点上，旋转陀螺对磁噪声表现出惊人的顽固。它就像一个即使你摇晃它放置的桌子也能保持精准时间的时钟。作者计算出，这种效应将自旋相干时间（即 $T_2$）提升到了约 3.73 毫秒。

为了直观对比，普通的立方金刚石（以及六角形钻石中的 AA 版本）在类似条件下只能维持约 0.85 到 0.9 毫秒。被挤压的 AB 版本大约是其 四倍之多。

模拟展示了什么

团队并非仅仅凭空猜测；他们使用一种称为“第一性原理计算”的方法进行了详细的计算机模拟。这意味着他们从基本的物理定律出发，让计算机自行推导原子的行为，而不需要预设答案。

以下是他们的数字实验揭示的内容：

• 六角形钻石的两面： 他们证实了 AA 和 AB 配置都可以存在且稳定。
• 电子结构： AA 版本在能量层级方面看起来与立方钻石缺陷一致。然而，AB 版本由于对称性破缺，其能量层级发生了分裂。
• 光影秀： 研究人员还模拟了这些缺陷在受到激光照射时会发出什么颜色的光。他们发现，AA 版本和 AB 版本在不同能量（颜色）下发光。AB 版本的“零声子线”能量为 1.48 eV，而 AA 版本为 1.73 eV。这种差异就像是一个指纹；如果科学家能在实验室中制造出这些钻石，他们只需通过观察发出的光色就能辨别出自己发现的是哪种缺陷。
• 相干性的冠军： 最令人兴奋的结果是自旋寿命。AB 配置达到了约 3.73 ms 的峰值相干时间，而 AA 版本和立方钻石分别徘徊在 0.9 ms 和 0.85 ms 左右。

这意味着什么（以及目前并不意味着什么）

论文指出，六角形钻石中的 AB 配置是量子技术极具前景的候选对象。它提供了一种独特的结合：其电子结构仍然与广为人知的立方钻石足够相似，从而具有实用性，但对称性的破缺赋予了它巨大的稳定性提升。

然而，必须记住这篇论文 并未 说明的内容。作者并没有在实验室中生长这些钻石，也没有用真实的机器测量这些自旋。这里呈现的一切都来自计算机模拟。他们预测，如果你能制造出这些缺陷，它们将会表现得如此出色。他们还指出，虽然 AB 缺陷在稳定性方面表现优异，但它需要一种特定的、不对称的排列方式，这在现实世界的制造过程中可能难以控制。

研究人员还将他们的发现与另一种想法进行了比较：如果我们只是通过压力去挤压一个普通的立方钻石会怎样？他们也对此进行了模拟，并发现虽然可以获得一些改进，但 lonsdaleite 天然的六角形结构做得更好，无需施加巨大的外部力量。

最后，这篇论文描绘了一幅新的前景图景。它表明，通过超越熟悉的立方金刚石，转向其六角形近亲，并拥抱这种“被挤压”的 AB 缺陷，我们或许能找到构建更不易破碎、更强大的量子计算机的关键。下一步的任务是在现实世界中，看看我们是否能在实验室中生长出这些六角形钻石，并找到这些发光的、超稳定的缺陷。