近日，物理评论B在线刊发了于涛教授“量子磁性与自旋物理”课题组题为“Directional entanglement of spin-orbit locked nitrogen-vacancy centers by magnons”的研究论文。课题组薛治平为论文的第一作者，于涛教授为论文的通讯作者，华中科技大学为论文的第一单位。瑞士Basel大学博士后邹继博士、课题组蔡成渊、中国科学院大学卡弗里理论物理研究所兼日本Tohoku大学材料科学高等研究所Gerrit E. W. Bauer教授对本工作做出了重要贡献。
金刚石中的NV色心(Nitrogen-vacancy centers)在量子信息处理中应用广泛，比如应用在光学网络[如Opt. Lett. 25, 1294 (2000)]中和作为单个光子的激发源[如 New J. Phys. 13, 055017 (2011)]等。作为特别灵敏的磁场探测器，它们在测量自旋弛豫时间[如Phys. Rev. Lett. 97, 087601(2006)]和自旋相干动力学[Science, 320, 352 (2008)]方面有重要作用。在像钇铁石榴石和范德瓦尔斯二维磁体这样的磁性绝缘体附近，NV色心可以检测自旋波的杂散磁场。当两个NV色心之间的距离超过30纳米，它们的直接耦合变得可忽略不计[ Nat. Phys. 9, 139 (2013)]，这也启发了科研工作者研究NV色心之间通过附近磁体中的磁子交换来实现的非直接耦合[如PRX Quantum 2, 040314 (2021)]。同时，磁性涨落诱导的杂散磁场的波动可以让两个NV色心之间形成手性耦合，但是这种手性耦合在量子信息方面的应用尚未研究。
在这项工作中，我们首先研究了由金刚石中单个NV色心所释放的杂散磁场的手性，如图1所示。我们预测了由NV色心所激发的向铁磁纳米结构中的磁子的自旋转移是具有单方向特性的。我们接着研究了当纳米线中的磁化垂直于纳米线时，两个NV色心之间所形成的手性耦合，而这个手性的相互作用导致了非互易的量子纠缠的形成。这个非互易量子纠缠的现象体现在：在共振区内(即NV色心基态和激发态的能级间距落在磁子能带范围内)，当第一个NV色心初态处于激发态，而第二个初态处于基态时，所达到的最大纠缠并发度(Concurrence)的值与第一个NV色心初态处于基态，而第二个初态处于激发态时的不同，如图2所示。
由于具有量子纠缠的非互易性, 通过磁子交换为媒介形成纠缠的两个NV色心的系统可以抑制量子比特之间一些有害的互动，具有量子纠缠隔离器的功能和特性。
Fig.1:在(x=-6nm)的平面内，NV色心所释放的杂散磁场的自旋密度和波矢的关系。手性指数=1表明杂散磁场的自旋和动量锁定始终为右手性的。
Fig.2 量子纠缠隔离器。(a)初态为:第一个NV色心为激发态，第二个NV色心为基态。不同角度的外磁场下系统Concurrence的演化。(b)不同初态下系统演化的concurrence最大值与外磁场角度的依赖关系，其中蕴含有手性纠缠的现象。