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       在量子信息科学领域，金刚石中的单个氮空位（NV−）中心因其出色的自旋相干特性，成为了构建量子计算、量子网络和高精度量子传感等前沿技术的核心平台。然而，传统的制造方法往往会在金刚石晶格中引入损伤，从而限制了NV−中心自旋相干时间。近期，一项发表在《Chinese Physics Letters》上的研究，由曲阜师范大学的张晓冉、庄新宇以及刘晓兵带领的团队完成，他们通过高温高压（HPHT）退火技术，成功解决了这一难题，实现了单个NV−中心自旋相干时间的重大突破。

       1、NV−中心的潜力与挑战

       金刚石的NV−中心是一种特殊的点缺陷，由替位氮原子相邻的碳空位构成。它具有出色的自旋相干时间、光学稳定性和精确的可寻址性。然而，NV−中心的自旋相干性能易受晶格畸变和局部应力影响。传统制造方法，如离子注入、激光或电子束照射等，虽然能有效产生NV−中心，但会破坏金刚石晶格，导致NV−中心的量子性能下降。

       2、高温高压退火的创新应用

       研究团队采用高温高压（HPHT）退火的方法，这是一种非破坏性制造高自旋相干NV−中心的新途径。他们发现，在5.5吉帕压力下，金刚石在高温下仍保持热力学稳定性，HPHT退火能有效抑制石墨化，同时促进氮原子和空位的迁移，从而在⟨111⟩生长区界面更易形成NV−中心。研究还表明，HPHT退火能够减轻晶格畸变的影响，从而显著提高NV−中心的自旋相干时间。

       3、超长相干时间的实现

       实验中，研究团队合成了高质量的IIa型金刚石单晶，并在不同生长方向（⟨111⟩和⟨100⟩）上切割、抛光成平行切片进行特性研究。他们发现，在未经处理的金刚石中，NV−中心主要分布在生长区界面，而内部区域则几乎没有。而在经过HPHT退火处理后，单个NV−中心在金刚石内部区域大量出现。更令人振奋的是，这些NV−中心的自旋相干时间得到了显著提升。在⟨111⟩生长区生长的金刚石中，NV−中心的自旋相干时间（T2）达到了578微秒，而在低应力区域自然形成的单个NV−中心的T2时间更是达到了721微秒，这是目前已知的自然丰度¹³C金刚石中NV−中心的最长自旋相干时间之一。

      4、为量子技术铺平道路

       这项研究不仅揭示了在HPHT金刚石中高自旋相干单个NV−中心的形成机制，还建立了一种可扩展的制造方法，并确定了增强NV−中心自旋相干性的关键因素。这些发现为未来进一步提高NV−中心的相干性提供了宝贵的指导，也为量子技术的发展奠定了坚实的基础。通过HPHT处理结合其他应力工程技术，有望进一步提升NV−中心的量子性能，从而推动量子计算、量子通信和量子传感等领域的发展。综上所述，这项研究在金刚石NV−中心领域取得了重大突破，为量子技术的实用化和产业化提供了新的思路和方法。未来，随着研究的深入和技术的进步，我们有理由相信，金刚石NV−中心将在量子信息科学领域发挥更加重要的作用。