International forskning gør fremskridt mod forbedrede materialer til kvantesensorteknologi

Bornitrid er et teknologisk interessant materiale, fordi det er meget kompatibelt med andre todimensionelle krystallinske strukturer. Det åbner derfor veje til kunstige heterostrukturer eller elektroniske enheder bygget på dem med fundamentalt nye egenskaber.

For omkring et år siden, et hold fra Institut for Fysik ved Julius-Maximilians-Universität (JMU) Wuerzburg i Bayern, Tyskland, lykkedes med at skabe spindefekter, også kendt som qubits, i en lagdelt krystal af bornitrid og identificere dem eksperimentelt.

For nylig, holdet ledet af professor Vladimir Dyakonov, hans ph.d. studerende Andreas Gottscholl og gruppeleder PD Dr. Andreas Sperlich, lykkedes med at tage et vigtigt næste skridt:den sammenhængende kontrol af sådanne spindefekter, og det selv ved stuetemperatur. Forskerne rapporterer deres resultater i det virkningsfulde tidsskrift Videnskabens fremskridt . På trods af pandemien, arbejdet er udført i et intensivt internationalt samarbejde med grupper fra University of Technology Sydney i Australien og Trent University i Canada.

Måling af lokale elektromagnetiske felter endnu mere præcist

"Vi forventer, at materialer med kontrollerbare spindefekter vil tillade mere præcise målinger af lokale elektromagnetiske felter, når de først er brugt i en sensor", forklarer Vladimir Dyakonov, "og det er fordi de er, Per definition, ved grænsen til omverdenen, som skal kortlægges. Tænkelige anvendelsesområder er billeddiagnostik i medicin, navigation, overalt, hvor kontaktløs måling af elektromagnetiske felter er nødvendig, eller inden for informationsteknologi.

"Forskersamfundets søgen efter det bedste materiale til dette er endnu ikke afsluttet, men der er flere potentielle kandidater, " tilføjer Andreas Sperlich. "Vi mener, at vi har fundet en ny kandidat, der skiller sig ud på grund af sin flade geometri, som giver de bedste integrationsmuligheder inden for elektronik."

Grænser for spin kohærens gange vanskeligt overvindes

Alle spin-følsomme eksperimenter med bornitridet blev udført ved JMU. "Vi var i stand til at måle de karakteristiske spinkohærenstider, bestemme deres grænser og endda tricky overvinde disse grænser, " siger en glad Andreas Gottscholl, Ph.D. elev og førsteforfatter til publikationen. Viden om spinkohærenstider er nødvendig for at estimere potentialet for spindefekter til kvanteapplikationer, og lange kohærenstider er yderst ønskelige, da man til sidst ønsker at udføre komplekse manipulationer.

Gottscholl forklarer princippet i forenklede vendinger:"Forestil dig et gyroskop, der roterer om sin akse. Det er lykkedes os at bevise, at sådanne mini-gyroskoper findes i et lag bornitrid. Og nu har vi vist, hvordan man styrer gyroskopet, dvs. for eksempel, at afbøje den i en hvilken som helst vinkel uden at røre den, og frem for alt, at kontrollere denne tilstand."

Kohærenstid reagerer følsomt på tilstødende atomlag

Den kontaktløse manipulation af "gyroskopet" (spin-tilstand) blev opnået gennem det pulserede højfrekvente elektromagnetiske felt, de resonansmikrobølger. JMU-forskerne var også i stand til at bestemme, hvor længe "gyroskopet" bevarer sin nye orientering. Strengt taget, afbøjningsvinklen skal her ses som en forenklet illustration af, at en qubit kan antage mange forskellige tilstande, ikke bare 0 og 1 kan lide lidt.

Hvad har det med sensorteknologi at gøre? Det direkte atomare miljø i en krystal påvirker den manipulerede spin-tilstand og kan i høj grad forkorte dens sammenhængstid. "Vi var i stand til at vise, hvor ekstremt følsom sammenhængen reagerer på afstanden til de nærmeste atomer og atomkerner, til magnetiske urenheder, til temperatur og til magnetiske felter - så miljøet for qubit kan udledes fra målingen af ​​kohærenstiden, ”forklarer Andreas Sperlich.

Mål:Elektroniske enheder med spindekorerede bornitridlag

JMU-teamets næste mål er at realisere en kunstigt stablet todimensionel krystal lavet af forskellige materialer, inklusive en spin-bærende komponent. De væsentlige byggesten for sidstnævnte er atomtynde bornitridlag, der indeholder optisk aktive defekter med en tilgængelig spin -tilstand.

"Det ville være særligt tiltalende at kontrollere spin-defekterne og deres omgivelser i 2-D-enhederne ikke kun optisk, men via den elektriske strøm. Dette er et helt nyt territorium, " siger Vladimir Dyakonov.