控制下的自旋缺陷可用于創(chuàng)造量子傳感器技術(shù)的改進(jìn)材料

一個(gè)國(guó)際研究小組在改進(jìn)量子傳感器技術(shù)的材料方面取得了進(jìn)展。醫(yī)學(xué)、導(dǎo)航和信息技術(shù)在未來(lái)可以從中受益。氮化硼是一種技術(shù)上有趣的材料，因?yàn)樗c其他二維晶體結(jié)構(gòu)非常兼容。因此，它為人工異質(zhì)結(jié)構(gòu)或建立在其上的具有新特性的電子設(shè)備開(kāi)辟了道路。

大約一年前，來(lái)自德國(guó)巴伐利亞州維爾茨堡Julius-Maximilians-Universit?t（JMU）物理研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)成功地在氮化硼的層狀晶體中創(chuàng)造了自旋缺陷，也被稱(chēng)為量子比特，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)它們進(jìn)行了鑒定。

最近，由弗拉基米爾·迪亞科諾夫教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)、他的博士生安德烈亞斯·戈特肖爾和小組負(fù)責(zé)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(duì)這種自旋缺陷進(jìn)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(xué)進(jìn)展》雜志上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。盡管發(fā)生了大流行病，但這項(xiàng)工作是在與澳大利亞悉尼科技大學(xué)和加拿大特倫特大學(xué)的團(tuán)體進(jìn)行的密集國(guó)際合作中進(jìn)行的。

JMU的研究人員計(jì)劃實(shí)現(xiàn)這樣一種堆疊結(jié)構(gòu)。它由金屬石墨烯（底部）、絕緣的氮化硼（中間）和半導(dǎo)體的二硫化鉬（頂部）組成。紅點(diǎn)象征著氮化硼層中的一個(gè)單一自旋缺陷。該缺陷可以作為堆棧中的一個(gè)局部探針。

更加精確地測(cè)量局部電磁場(chǎng)

研究人員表示："我們預(yù)計(jì)，具有可控自旋缺陷的材料一旦被用于傳感器，將可以更精確地測(cè)量局部電磁場(chǎng)。"這是因?yàn)楦鶕?jù)定義，它們處于與周?chē)澜绲倪吔缧枰挥成洹？梢韵胂蟮膽?yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)成像、導(dǎo)航、任何需要對(duì)電磁場(chǎng)進(jìn)行非接觸式測(cè)量的地方，或者信息技術(shù)領(lǐng)域。

安德烈亞斯·斯佩里希補(bǔ)充說(shuō)："研究界在尋找這方面的最佳材料的工作還沒(méi)有完成，但有幾個(gè)潛在的候選材料。"我們相信，我們找到了一個(gè)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(lǐng)域提供了最佳的集成可能性。"

巧妙地克服自旋相干時(shí)間的限制

所有關(guān)于氮化硼的自旋敏感實(shí)驗(yàn)都是在JMU進(jìn)行的。"我們能夠測(cè)量特征自旋相干時(shí)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(shuō)。自旋相干時(shí)間的知識(shí)對(duì)于估計(jì)自旋缺陷在量子應(yīng)用中的潛力是必要的，而長(zhǎng)的相干時(shí)間是非?？扇〉?，因?yàn)槿藗儠?huì)想要·可以進(jìn)行更復(fù)雜的操作。

Gottscholl用簡(jiǎn)化的術(shù)語(yǔ)解釋了這個(gè)原理。"想象一下一個(gè)繞軸旋轉(zhuǎn)的陀螺儀。我們已經(jīng)成功地證明了在氮化硼層中存在這樣的微型陀螺儀。而現(xiàn)在我們已經(jīng)證明了如何控制陀螺儀，也就是說(shuō)，例如，在不接觸它的情況下，使其偏轉(zhuǎn)任何角度，最重要的是控制這種狀態(tài)"。

相干時(shí)間對(duì)相鄰的原子層反應(yīng)敏感

對(duì) "陀螺儀"（自旋狀態(tài)）的無(wú)接觸操縱是通過(guò)脈沖高頻電磁場(chǎng)--諧振微波實(shí)現(xiàn)的。JMU的研究人員還能夠確定 "陀螺儀"保持其方向的時(shí)間。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，偏轉(zhuǎn)角度在這里應(yīng)該被看作是一個(gè)簡(jiǎn)化的說(shuō)明，即一個(gè)量子比特可以承擔(dān)許多不同的狀態(tài)，而不是像比特那樣只有0和1。

這與傳感器技術(shù)有什么關(guān)系？晶體中的直接原子環(huán)境影響著被操縱的自旋狀態(tài)，并能大大縮短其相干時(shí)間。"我們能夠證明相干性對(duì)與最近的原子和原子核的距離、磁性雜質(zhì)、溫度和磁場(chǎng)的反應(yīng)是多么的極其敏感--因此可以從相干性時(shí)間的測(cè)量中推斷出量子比特的環(huán)境，"Andreas Sperlich解釋說(shuō)。

目標(biāo)：帶有自旋裝飾的氮化硼層的電子裝置

JMU團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)由不同材料組成的人工堆疊的二維晶體，包括一個(gè)自旋成分。后者的基本構(gòu)件是原子薄的氮化硼層，包含具有可訪問(wèn)自旋狀態(tài)的光學(xué)活性缺陷。

在二維設(shè)備中不僅通過(guò)光學(xué)，而且通過(guò)電流來(lái)控制自旋缺陷及其周?chē)h(huán)境將是特別有吸引力的。這是一個(gè)全新的領(lǐng)域。