中国科大苏州高等研究院、生物医学工程学院石发展教授课题组与南京大学等多家科研单位合作，通过构造金刚石-石墨烯异质界面杂化结构，将NV色心相干时间提升至约2倍，首次证实石墨烯可用于增强NV色心自旋的量子相干特性并厘清了其增强的物理机制。这一研究结果可推广至同类固态自旋体系，为增强纳米级量子传感器的性能提供了新方法。此成果以“Coherence enhancement via diamond-graphene hybrid for nanoscale quantum sensing”为题发表于《国家科学评论》。

量子精密测量是量子信息科学领域的研究热点，也是在微观尺度上研究物质的重要手段之一。其中对弱磁信号的高灵敏度探测在物理、化学和生命科学等领域均有重要的科研和应用价值。金刚石中的氮-空位（NV）色心是近些年新兴的一种量子传感器，因其原子级别的尺寸和室温大气环境下优秀的相干性质，已经实现单分子磁共振探测和纳米尺度的磁成像等。制备距离金刚石表面更近的NV色心可以有效提高空间分辨率，然而，界面未配对电子产生的电磁噪声会显著降低NV色心的相干时间，进而劣化NV色心的测量灵敏度。抑制界面噪声，提高浅层NV色心的相干性质是发展高灵敏度纳米磁传感亟需解决的关键问题。

图1：金刚石-石墨烯异质界面杂化结构示意图

传统提升量子相干性质的方法如动力学解耦、表面自旋热库驱动等虽能抑制NV色心周围噪声，但需要额外的微波射频操控等局限。研究团队另辟蹊径，通过在金刚石表面覆盖单层石墨烯，利用该异质界面的电子杂化调控电子的面密度和弛豫时间，从而实现对NV色心相干性质的提升。实验结果显示，对于深度小于20 纳米的浅层NV色心，其相干时间平均提升至约2倍，部分NV色心可提升至2.5倍以上。通过双电子-电子共振回波（DEER-echo）检测技术，研究人员定量测量了覆盖石墨烯前后金刚石表面电子自旋的密度和弛豫时间，发现金刚石表面自旋密度显著降低。第一性原理计算表明该结构中，电子会从石墨烯向金刚石表面缺陷态转移，形成轨道杂化有效耗尽未配对电子，揭示了石墨烯-金刚石异质界面杂化作用对近表面NV色心相干增强的物理机制。

图2：利用石墨烯和金刚石界面杂化提升浅层NV色心的相干时间，并揭示杂化增强NV色心相干的物理机制

该方法操作便捷，利用成熟的石墨烯转移工艺即可实现对金刚石界面电磁噪声环境的改善，从而无需复杂操控即可直接提升NV色心的相干性质。这一界面调控策略可直接拓展至其它固态自旋量子体系，为纳米尺度量子传感技术的发展提供了新思路。同时，近表面NV色心相干性质受界面影响的这一效应也使得NV色心可以反过来作为量子传感器用于该类异质界面性质原位检测，为二维材料和固体界面研究提供新手段。

博士生郝昱程、特任副研究员杨志平和物理系博士后李泽宇为共同第一作者；孔熙副教授，石发展教授和杜江峰院士为共同通讯作者。该工作得到基金委、科技部、中国科学院、安徽省等单位资助。

文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwaf076