Un team di scienziati internazionali che studiano come controllare la rotazione delle impurità atomiche nei materiali 2-D ha osservato per la prima volta la dipendenza dell'energia dell'atomo da un campo magnetico esterno.

I risultati dello studio, pubblicato in Materiali della natura , sarà di interesse per i gruppi di ricerca accademici e industriali che lavorano allo sviluppo di future applicazioni quantistiche, dicono i ricercatori.

Scienziati della University of Technology Sydney (UTS), l'Università di Würzburg, l'Università Federale di Kazan e l'Universidade Federal de Minas Gerais, hanno dimostrato la capacità di controllare la rotazione delle impurità simili agli atomi nel nitruro di boro esagonale in materiale 2-D. Combinando l'eccitazione laser e a microonde, i ricercatori sono stati in grado di modificare gli stati di spin, ad esempio da "su" a "giù", di impurità atomiche ospitate nel materiale e mostrano la dipendenza della loro energia da un campo magnetico esterno.

Questa è la prima volta che il fenomeno è stato osservato in un materiale costituito da un unico foglio di atomi come il grafene. I ricercatori affermano che queste proprietà spin-ottiche quantistiche recentemente dimostrate, combinato con la facilità di integrazione con altri materiali e dispositivi 2D, stabilisce che il nitruro di boro esagonale è un candidato interessante per l'hardware della tecnologia quantistica avanzata.

"I cristalli atomici 2-D sono attualmente alcuni dei materiali più studiati nella fisica della materia condensata e nella scienza dei materiali, " dice il fisico UTS Dr. Mehran Kianinia, coautore dello studio.

"La loro fisica è intrigante da un punto di vista fondamentale, ma oltre a questo, possiamo pensare di impilare diversi cristalli 2-D per creare materiali completamente nuovi, eterostrutture e dispositivi con specifiche proprietà di progettazione, " lui dice.

ricercatore dell'UTS, Dott. Carlo Bradac, un coautore senior dello studio afferma che oltre ad aggiungere un'altra proprietà unica, a una gamma già impressionante di proprietà per un materiale 2-D, la scoperta ha un enorme potenziale per il campo del rilevamento quantistico.

"Ciò che mi entusiasma davvero è il potenziale [nel contesto del rilevamento quantistico]. Questi spin sono sensibili all'ambiente circostante. A differenza dei solidi 3D, dove il sistema atomo può essere fino a pochi nanometri dall'oggetto da rilevare, qui lo spin controllabile è proprio in superficie. La nostra speranza è di usare questi giri individuali come minuscoli sensori e mappe, con una risoluzione spaziale senza precedenti, variazioni di temperatura, così come i campi magnetici ed elettrici sulle variazioni di spin", afferma il dott. Bradac.

"Immaginare, ad esempio, essere in grado di misurare minuscoli campi magnetici con sensori piccoli come singoli atomi. Le possibilità sono di vasta portata e vanno dalla spettroscopia di risonanza magnetica nucleare per la diagnostica medica su nanoscala e la chimica dei materiali alla navigazione senza GPS utilizzando il campo magnetico terrestre, " lui dice.

Tuttavia, la magnetometria su nanoscala quantistica è "solo un'area in cui è utile controllare singoli spin nei solidi", afferma l'autore senior dello studio, il professor Igor Aharonovich dell'UTS.

"Oltre al rilevamento quantistico, molte applicazioni di informatica quantistica e di comunicazione quantistica si basano sulla nostra capacità di controllare lo stato di spin:zero, uno e qualsiasi cosa in mezzo:di sistemi simili a singoli atomi in materiali ospiti solidi. Questo ci permette di codificare, memorizzare e trasferire informazioni sotto forma di bit quantistici o qubit, " lui dice.