國際研究小組利用自旋缺陷創(chuàng)造量子傳感器新型材料

一個國際研究小組在改進量子傳感器技術(shù)的材料方面取得了進展。醫(yī)學(xué)、導(dǎo)航和信息技術(shù)在未來可以從中受益。氮化硼是一種技術(shù)上有趣的材料，因為它與其他二維晶體結(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)備開辟了道路。

大約一年前，來自德國巴伐利亞州維爾茨堡Julius-Maximilians-Universit?t(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(chuàng)造了自旋缺陷，也被稱為量子比特，并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(lǐng)導(dǎo)的團隊、他的博士生安德烈亞斯·戈特肖爾和小組負責(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(xué)進展》雜志上報告了他們的發(fā)現(xiàn)。盡管發(fā)生了大流行病，但這項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)的團體進行的密集國際合作中進行的。

JMU的研究人員計劃實現(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。紅點象征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(yù)計，具有可控自旋缺陷的材料一旦被用于傳感器，將可以更精確地測量局部電磁場。"這是因為根據(jù)定義，它們處于與周圍世界的邊界需要被映射?？梢韵胂蟮膽?yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)成像、導(dǎo)航、任何需要對電磁場進行非接觸式測量的地方，或者信息技術(shù)領(lǐng)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(lǐng)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(guān)于氮化硼的自旋敏感實驗都是在JMU進行的。"我們能夠測量特征自旋相干時間，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于估計自旋缺陷在量子應(yīng)用中的潛力是必要的，而長的相干時間是非?？扇〉模驗槿藗儠胍た梢赃M行更復(fù)雜的操作。

Gottscholl用簡化的術(shù)語解釋了這個原理。"想象一下一個繞軸旋轉(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，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)"。

相干時間對相鄰的原子層反應(yīng)敏感

對 "陀螺儀"(自旋狀態(tài))的無接觸操縱是通過脈沖高頻電磁場--諧振微波實現(xiàn)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(zhuǎn)角度在這里應(yīng)該被看作是一個簡化的說明，即一個量子比特可以承擔(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間。"我們能夠證明相干性對與最近的原子和原子核的距離、磁性雜質(zhì)、溫度和磁場的反應(yīng)是多么的極其敏感--因此可以從相干性時間的測量中推斷出量子比特的環(huán)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(xiàn)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。后者的基本構(gòu)件是原子薄的氮化硼層，包含具有可訪問自旋狀態(tài)的光學(xué)活性缺陷。

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