Forskere opdager, at enkeltatomdefekter i 2D-materiale kan holde kvanteinformation ved stuetemperatur

Forskere har opdaget, at en "enkelt atomare defekt" i et lagdelt 2D-materiale kan holde på kvanteinformation i mikrosekunder ved stuetemperatur, hvilket understreger potentialet af 2D-materialer i avancerede kvanteteknologier.

Defekten, fundet af forskere fra universiteterne i Manchester og Cambridge ved hjælp af et tyndt materiale kaldet hexagonal bornitrid (hBN), demonstrerer spinkohærens - en egenskab, hvor et elektronisk spin kan bevare kvanteinformation - under omgivende forhold. De fandt også ud af, at disse spins kan styres med lys.

Indtil nu har kun få faststofmaterialer været i stand til at gøre dette, hvilket markerer et væsentligt skridt fremad inden for kvanteteknologier.

Resultaterne, offentliggjort i Nature Materials , bekræfter yderligere, at den tilgængelige spinkohærens ved stuetemperatur er længere, end forskerne oprindeligt forestillede sig, at den kunne være.

Carmem M. Gilardoni, medforfatter til papiret og postdoc ved Cavendish Laboratory ved University of Cambridge, hvor forskningen blev udført, sagde:"Resultaterne viser, at når vi først skriver en vis kvantetilstand på spindet af disse elektroner, gemmes denne information i ~1 milliontedel af et sekund, hvilket gør dette system til en meget lovende platform til kvanteapplikationer.

"Dette kan virke kort, men det interessante er, at dette system ikke kræver særlige forhold - det kan lagre spin-kvantetilstanden selv ved stuetemperatur og uden krav om store magneter."

Hexagonal bornitrid (hBN) er et ultratyndt materiale, der består af stablede et-atom-tykke lag, ligesom papirark. Disse lag holdes sammen af ​​kræfter mellem molekyler, men nogle gange er der små fejl mellem disse lag kaldet "atomare defekter", svarende til en krystal med molekyler fanget inde i den. Disse defekter kan absorbere og udsende lys, som vi kan se, og de kan også fungere som lokale fælder for elektroner.

På grund af defekterne i hBN kan forskere nu studere, hvordan disse fangede elektroner opfører sig, især spin-egenskaben, som tillader elektroner at interagere med magnetiske felter. De kan også kontrollere og manipulere elektronspin ved hjælp af lys i disse defekter ved stuetemperatur - noget, der aldrig er blevet gjort før.

Dr. Hannah Stern, førsteforfatter af papiret og Royal Society University Research Fellow og foredragsholder ved University of Manchester, sagde:"At arbejde med dette system har fremhævet kraften i den grundlæggende undersøgelse af nye materialer. Hvad angår hBN-systemet. , som et felt kan vi udnytte ophidset tilstandsdynamik i andre nye materialeplatforme til brug i fremtidige kvanteteknologier.

"Hvert nyt lovende system vil udvide værktøjssættet af tilgængelige materialer, og hvert nyt skridt i denne retning vil fremme den skalerbare implementering af kvanteteknologier."

Prof Richard Curry tilføjede:"Forskning i materialer til kvanteteknologier er afgørende for at understøtte Storbritanniens ambitioner på dette område. Dette arbejde repræsenterer endnu et førende gennembrud fra en forsker fra University of Manchester inden for materialer til kvanteteknologier, hvilket yderligere styrker den internationale virkningen af ​​vores arbejde på dette område."

Selvom der er meget at undersøge, før det er modent nok til teknologiske applikationer, baner opdagelsen vejen for fremtidige teknologiske applikationer, især inden for sanseteknologi.

Forskerne er stadig ved at finde ud af, hvordan de kan gøre disse defekter endnu bedre og mere pålidelige og undersøger i øjeblikket, hvor langt de kan forlænge spin-lagringstiden. De undersøger også, om de kan optimere de system- og materialeparametre, der er vigtige for kvanteteknologiske anvendelser, såsom defektstabilitet over tid og kvaliteten af ​​det lys, som denne defekt udsender.