Hvordan halvlederfejl kunne booste kvanteteknologi

I diamanter (og andre halvledende materialer) er defekter en kvantesensors bedste ven. Det skyldes, at defekter, i det væsentlige et forskudt arrangement af atomer, nogle gange indeholder elektroner med et vinkelmomentum eller spin, der kan lagre og behandle information. Denne "spin grad af frihed" kan udnyttes til en række formål, såsom sansning af magnetiske felter eller oprettelse af et kvantenetværk.

Forskere ledet af Greg Fuchs, Ph.D. '07, professor i anvendt og teknisk fysik ved Cornell Engineering, søgte efter et sådant spin i den populære halvleder galliumnitrid og fandt det overraskende i to forskellige arter af defekter, hvoraf den ene kan manipuleres til fremtidige kvanteanvendelser.

Gruppens papir, "Room Temperature Optically Detected Magnetic Resonance of Single Spins in GaN," blev udgivet i Nature Materials . Hovedforfatteren er ph.d.-studerende Jialun Luo.

Defekter er det, der giver ædelstene deres farve, og af denne grund er de også kendt som farvecentre. Pink diamanter, for eksempel, får deres nuance fra defekter kaldet nitrogen-vacancy centre. Der er dog mange farvecentre, der endnu ikke er identificeret, selv i materialer, der er almindeligt anvendte.

"Galliumnitrid er, i modsætning til diamant, en moden halvleder. Den er udviklet til højfrekvent elektronik med bred båndgab, og det har været en meget intens indsats over mange, mange år," sagde Fuchs. "Du kan gå hen og købe en oblat af det; det er sandsynligvis i din computeroplader eller elbil. Men hvad angår et materiale til kvantefejl, er det ikke blevet udforsket ret meget."

For at søge efter spin-graden af ​​frihed i galliumnitrid, slog Fuchs og Luo sig sammen med Farhan Rana, Joseph P. Ripley-professoren i ingeniørvidenskab og ph.d.-studerende Yifei Geng, som de tidligere havde udforsket materialet med.

Gruppen brugte konfokalmikroskopi til at identificere defekterne via fluorescerende prober og udførte derefter et væld af eksperimenter, såsom at måle hvordan en defekts fluorescenshastighed ændres som en funktion af magnetfeltet og bruge et lille magnetfelt til at drive defektens spinresonanstransmissioner, alt ved stuetemperatur.

"I begyndelsen viste de foreløbige data tegn på interessante spinstrukturer, men vi kunne ikke drive spinresonansen," sagde Luo. "Det viser sig, at vi havde brug for at kende defektsymmetriakserne og anvende et magnetfelt i den korrekte retning for at sondere resonanserne; resultaterne bragte os flere spørgsmål, der venter på at blive udarbejdet."

Forsøgene viste, at materialet havde to typer defekter med forskellige spinspektre. I det ene var spin koblet til en metastabil exciteret tilstand; i den anden var den koblet til grundtilstanden.

I sidstnævnte tilfælde var forskerne i stand til at se fluorescensændringer på op til 30 %, når de drev spinovergangen - en stor ændring i kontrast og relativt sjælden for et kvantespin ved stuetemperatur.

"Normalt er fluorescensen og spin bundet meget svagt sammen, så når du ændrer spinprojektionen, kan fluorescensen ændre sig med 0,1% eller noget meget, meget lille," sagde Fuchs. "Fra et teknologisk synspunkt er det ikke fantastisk, fordi du vil have en stor forandring, så du kan måle den hurtigt og effektivt."

Forskerne udførte derefter et kvantekontroleksperiment. De fandt ud af, at de kunne manipulere jordtilstandens spin, og at det havde kvantekohærens - en kvalitet, der tillader kvantebits eller qubits at beholde deres information.

"Det er noget, der er ret spændende ved denne observation," sagde Fuchs. "Der er stadig meget grundlæggende arbejde at gøre, og der er mange flere spørgsmål, end der er svar. Men den grundlæggende opdagelse af spin i dette farvecenter, det faktum, at det har en stærk spinkontrast på op til 30 %, at det eksisterer i et modent halvledermateriale - som åbner op for alle slags interessante muligheder, som vi nu er spændte på at udforske."

Flere oplysninger: Jialun Luo et al., Optisk detekteret magnetisk resonans ved stuetemperatur af enkelte spins i GaN, Naturmaterialer (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01803-5

Leveret af Cornell University