Rappresentazione schematica del controllo coerente di un difetto di spin (rosso) in uno strato atomico di nitruro di boro. Il nitruro di boro è costituito da boro (sfere gialle) e azoto (sfere blu) e giace su una striscia. Il difetto di spin viene eccitato da un laser e il suo stato viene letto tramite fotoluminescenza. Il qubit può essere manipolato sia da impulsi a microonde (celeste) della stripline sia da un campo magnetico. Credito:Andreas Gottscholl/Università di Wuerzburg
Il nitruro di boro è un materiale tecnologicamente interessante perché è molto compatibile con altre strutture cristalline bidimensionali. Quindi apre percorsi a eterostrutture artificiali o dispositivi elettronici costruiti su di esse con proprietà fondamentalmente nuove.
Circa un anno fa, un team dell'Istituto di Fisica della Julius-Maximilians-Universität (JMU) Wuerzburg in Baviera, Germania, riuscito a creare difetti di rotazione, noto anche come qubit, in un cristallo stratificato di nitruro di boro e identificandoli sperimentalmente.
Recentemente, il team guidato dal professor Vladimir Dyakonov, il suo dottorato di ricerca lo studente Andreas Gottscholl e il capogruppo PD Dr. Andreas Sperlich, riuscito a compiere un importante passo successivo:il controllo coerente di tali difetti di spin, e questo anche a temperatura ambiente. I ricercatori riportano i loro risultati nel diario di grande impatto Progressi scientifici . Nonostante la pandemia, il lavoro è stato svolto in un'intensa collaborazione internazionale con gruppi della University of Technology Sydney in Australia e della Trent University in Canada.
Misurare i campi elettromagnetici locali in modo ancora più preciso
"Ci aspettiamo che i materiali con difetti di spin controllabili consentano misurazioni più precise dei campi elettromagnetici locali una volta utilizzati in un sensore", spiega Vladimir Dyakonov, "e questo perché sono, per definizione, al confine con il mondo circostante, che deve essere mappato. I possibili campi di applicazione sono l'imaging in medicina, navigazione, ovunque sia necessaria la misurazione senza contatto dei campi elettromagnetici, o nella tecnologia dell'informazione.
"La ricerca da parte della comunità di ricerca del materiale migliore per questo non è ancora completa, ma ci sono diversi potenziali candidati, " aggiunge Andreas Sperlich. "Riteniamo di aver trovato un nuovo candidato che si distingue per la sua geometria piatta, che offre le migliori possibilità di integrazione nell'elettronica."
I limiti dei tempi di coerenza dello spin superati con difficoltà
I ricercatori della JMU intendono realizzare una tale struttura sovrapposta. È costituito da grafene metallico (in basso), nitruro di boro isolante (al centro) e disolfuro di molibdeno semiconduttore (in alto). Il punto rosso simboleggia il singolo difetto di spin in uno degli strati di nitruro di boro. Il difetto può fungere da sonda locale nello stack. Credito:Andreas Gottscholl/Università di Wuerzburg
Tutti gli esperimenti sensibili allo spin con il nitruro di boro sono stati effettuati presso la JMU. "Siamo stati in grado di misurare i tempi caratteristici di coerenza di spin, determinare i propri limiti e anche superarli con difficoltà, "dice un felice Andreas Gottscholl, dottorato di ricerca studente e primo autore della pubblicazione. La conoscenza dei tempi di coerenza di spin è necessaria per stimare il potenziale dei difetti di spin per applicazioni quantistiche, e lunghi tempi di coerenza sono altamente desiderabili poiché alla fine si desidera eseguire manipolazioni complesse.
Gottscholl spiega il principio in termini semplificati:"Immagina un giroscopio che ruota attorno al suo asse. Siamo riusciti a dimostrare che tali mini giroscopi esistono in uno strato di nitruro di boro. E ora abbiamo mostrato come controllare il giroscopio, cioè., Per esempio, deviarlo di qualsiasi angolazione senza nemmeno toccarlo, e soprattutto, per controllare questo stato».
Il tempo di coerenza reagisce in modo sensibile agli strati atomici vicini
La manipolazione senza contatto del "giroscopio" (lo stato di spin) è stata ottenuta attraverso il campo elettromagnetico pulsato ad alta frequenza, le microonde risonanti. I ricercatori della JMU sono stati anche in grado di determinare per quanto tempo il "giroscopio" mantiene il suo nuovo orientamento. In senso stretto, l'angolo di deflessione dovrebbe essere visto qui come un'illustrazione semplificata del fatto che un qubit può assumere molti stati diversi, non solo 0 e 1 come un po'.
Cosa ha a che fare questo con la tecnologia dei sensori? L'ambiente atomico diretto in un cristallo influenza lo stato di spin manipolato e può ridurre notevolmente il suo tempo di coerenza. "Siamo stati in grado di mostrare quanto estremamente sensibile reagisce la coerenza alla distanza dagli atomi e nuclei atomici più vicini, alle impurità magnetiche, alla temperatura e ai campi magnetici, quindi l'ambiente del qubit può essere dedotto dalla misurazione del tempo di coerenza, " spiega Andreas Sperlich.
Obiettivo:dispositivi elettronici con strati di nitruro di boro decorati con rotazione
Il prossimo obiettivo del team JMU è realizzare un cristallo bidimensionale impilato artificialmente fatto di materiali diversi, compreso un componente portante. Gli elementi costitutivi essenziali per quest'ultimo sono strati di nitruro di boro atomicamente sottili contenenti difetti otticamente attivi con uno stato di spin accessibile.
"Sarebbe particolarmente interessante controllare i difetti di spin e l'ambiente circostante nei dispositivi 2-D non solo otticamente, ma tramite la corrente elettrica. Questo è un territorio completamente nuovo, "dice Vladimir Dyakonov.
