- 國際研究在改進量子傳感器技術材料方面取得進展
- 來源：賽斯維傳感器網 發表于 2021/12/8
氮化硼原子層中自旋缺陷（紅色）的相干控制示意圖。氮化硼由硼（黃色球體）和氮（藍色球體）組成，位于帶狀線上。自旋缺陷由激光激發，其狀態通過光致發光讀出。量子位可以通過帶狀線的微波脈沖（淺藍色）和磁場來操縱。圖片來源：Andreas Gottscholl/維爾茨堡大學
氮化硼是一種技術上有趣的材料，因為它與其他二維晶體結構非常兼容。因此，它為人造異質結構或在其上構建的具有全新特性的電子設備開辟了道路。
大約一年前，來自德國巴伐利亞州維爾茨堡 Julius-Maximilians-Universitt (JMU) 物理研究所的一個團隊成功地在氮化硼層狀晶體中產生自旋缺陷，也稱為量子位，并通過實驗對其進行識別。
最近，由他的博士 Vladimir Dyakonov 教授領導的團隊。學生 Andreas Gottscholl 和小組負責人 PD Andreas Sperlich 博士成功地采取了重要的下一步：對此類自旋缺陷進行連貫控制，即使在室溫下也是如此。研究人員在有影響力的期刊《科學進展》上報告了他們的發現。盡管發生了大流行，但這項工作是在與澳大利亞悉尼科技大學和加拿大特倫特大學的團體的密切國際合作中進行的。
更精確地測量局部電磁場
Vladimir Dyakonov 解釋說：“我們希望具有可控自旋缺陷的材料一旦用于傳感器，就可以更精確地測量局部電磁場，這是因為根據定義，它們位于周圍世界的邊界，可以想象的應用領域包括醫學成像、導航、需要對電磁場進行非接觸式測量的任何地方，或者信息技術。
“研究界對此最佳材料的搜索尚未完成，但有幾個潛在的候選者，”Andreas Sperlich 補充道。“我們相信我們找到了一個新的候選者，因其扁平的幾何形狀而脫穎而出，這為電子產品提供了最佳的集成可能性。”
巧妙克服自旋相干時間的限制
JMU 研究人員計劃實現這種堆疊結構。它由金屬石墨烯（下）、絕緣氮化硼（中）和半導體二硫化鉬（上）組成。紅點象征氮化硼層之一中的單一自旋缺陷。缺陷可以作為堆棧中的局部探針。圖片來源：Andreas Gottscholl/維爾茨堡大學
所有使用氮化硼的自旋敏感實驗均在 JMU 進行。“我們能夠測量特征自旋相干時間，確定它們的極限，甚至巧妙地克服這些極限，”Andreas Gottscholl 博士說。該出版物的學生和第一作者。自旋相干時間的知識對于估計量子應用中自旋缺陷的潛力是必要的，并且當人們最終想要執行復雜的操作時，非常需要長的相干時間。
Gottscholl 用簡化的術語解釋了這個原理：“想象一個繞其軸旋轉的陀螺儀。我們已經成功地證明了這種微型陀螺儀存在于一層氮化硼中。現在我們已經展示了如何控制陀螺儀，即，例如，以任何角度偏轉它甚至不接觸它，最重要的是，控制這種狀態。”
相干時間對相鄰原子層反應靈敏
“陀螺儀”（自旋狀態）的非接觸式操縱是通過脈沖高頻電磁場、共振微波實現的。JMU 研究人員還能夠確定“陀螺儀”保持其新方向的時間。嚴格來說，偏轉角在這里應該被視為一個簡單的說明，一個量子位可以呈現許多不同的狀態，而不僅僅是 0 和 1 之類的。
這與傳感器技術有什么關系？晶體中的直接原子環境會影響操縱的自旋狀態，并可以大大縮短其相干時間。“我們能夠展示相干性對與最近原子和原子核的距離、磁性雜質、溫度和磁場的反應是多么敏感——因此可以從相干時間的測量中推斷出量子位的環境，”Andreas Sperlich 解釋道。
目標：具有自旋裝飾氮化硼層的電子設備
JMU 團隊的下一個目標是實現一種由不同材料制成的人工堆疊二維晶體，其中包括一個自旋軸承組件。后者的基本組成部分是原子級薄的氮化硼層，其中包含具有可接近自旋態的光學活性缺陷。
“不僅在光學上，而且通過電流來控制二維器件中的自旋缺陷及其周圍環境，這將特別有吸引力。這是一個全新的領域，”弗拉基米爾·迪亞科諾夫說。
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