控制下的自旋缺陷可用於創造量子傳感器技術的改進材料

一個國際研究小組在改進量子傳感器技術的材料方面取得了進展。醫學、導航和信息技術在未來可以從中受益。氮化硼是一種技術上有趣的材料,因為它與其他二維晶體結構非常兼容。因此,它為人工異質結構或建立在其上的具有新特性的電子設備開辟了道路。

控制下的自旋缺陷可用於創造量子傳感器技術的改進材料

大約一年前,來自德國巴伐利亞州維爾茨堡Julius-Maximilians-Universität(JMU)物理研究所的一個團隊成功地在氮化硼的層狀晶體中創造了自旋缺陷,也被稱為量子比特,並通過實驗對它們進行了鑒定。

最近,由弗拉基米爾·迪亞科諾夫教授領導的團隊、他的博士生安德烈亞斯·戈特肖爾和小組負責人安德烈亞斯·斯佩利希博士成功地邁出了重要的下一步:對這種自旋缺陷進行相干控制,而且甚至是在室溫下。研究人員在具有影響力的《科學進展》雜誌上報告了他們的發現。盡管發生了大流行病,但這項工作是在與澳大利亞雪梨科技大學和加拿大特倫特大學的團體進行的密集國際合作中進行的。

控制下的自旋缺陷可用於創造量子傳感器技術的改進材料

金屬石墨烯-氮化硼-二硫化鉬堆疊結構

JMU的研究人員計劃實現這樣一種堆疊結構。它由金屬石墨烯(底部)、絕緣的氮化硼(中間)和半導體的二硫化鉬(頂部)組成。紅點象徵著氮化硼層中的一個單一自旋缺陷。該缺陷可以作為堆棧中的一個局部探針。

更加精確地測量局部電磁場

研究人員表示:”我們預計,具有可控自旋缺陷的材料一旦被用於傳感器,將可以更精確地測量局部電磁場。”這是因為根據定義,它們處於與周圍世界的邊界需要被映射。可以想像的應用領域包括醫學成像、導航、任何需要對電磁場進行非接觸式測量的地方,或者信息技術領域。

安德烈亞斯·斯佩里希補充說:”研究界在尋找這方面的最佳材料的工作還沒有完成,但有幾個潛在的候選材料。”我們相信,我們找到了一個新的候選材料,它因其平坦的幾何形狀而脫穎而出,在電子領域提供了最佳的集成可能性。”

巧妙地克服自旋相干時間的限制

所有關於氮化硼的自旋敏感實驗都是在JMU進行的。”我們能夠測量特徵自旋相干時間,確定其極限,甚至巧妙地克服這些極限,”博士生和該出版物的第一作者Andreas Gottscholl說。自旋相干時間的知識對於估計自旋缺陷在量子應用中的潛力是必要的,而長的相干時間是非常可取的,因為人們會想要·可以進行更復雜的操作。

Gottscholl用簡化的術語解釋了這個原理。”想像一下一個繞軸旋轉的陀螺儀。我們已經成功地證明了在氮化硼層中存在這樣的微型陀螺儀。而現在我們已經證明了如何控制陀螺儀,也就是說,例如,在不接觸它的情況下,使其偏轉任何角度,最重要的是控制這種狀態”。

相干時間對相鄰的原子層反應敏感

對 “陀螺儀”(自旋狀態)的無接觸操縱是通過脈沖高頻電磁場–諧振微波實現的。JMU的研究人員還能夠確定 “陀螺儀”保持其方向的時間。嚴格來說,偏轉角度在這里應該被看作是一個簡化的說明,即一個量子比特可以承擔許多不同的狀態,而不是像比特那樣只有0和1。

這與傳感器技術有什麼關系?晶體中的直接原子環境影響著被操縱的自旋狀態,並能大大縮短其相干時間。”我們能夠證明相乾性對與最近的原子和原子核的距離、磁性雜質、溫度和磁場的反應是多麼的極其敏感–因此可以從相乾性時間的測量中推斷出量子比特的環境,”Andreas Sperlich解釋說。

目標:帶有自旋裝飾的氮化硼層的電子裝置

JMU團隊的下一個目標是實現一個由不同材料組成的人工堆疊的二維晶體,包括一個自旋成分。後者的基本構件是原子薄的氮化硼層,包含具有可訪問自旋狀態的光學活性缺陷。

在二維設備中不僅通過光學,而且通過電流來控制自旋缺陷及其周圍環境將是特別有吸引力的。這是一個全新的領域。

來源:cnBeta