Verbesserte Materialien für die Quantensensortechnologie

Schematische Darstellung der kohärenten Kontrolle des Spindefekts (rot) in der Atomschicht von Bornitrid. Bornitrid besteht aus Bor (gelbe Kugeln) und Stickstoff (blaue Kugeln) und fällt auf eine gerade Linie. Der Spindefekt wird durch einen Laser stimuliert und sein Zustand durch Photolumineszenz abgelesen. Das Qubit kann durch die (hellblauen) Mikrowellenimpulse des Striatums und auch durch das Magnetfeld manipuliert werden. Bildnachweis: Andreas Gottscholl / Universität Würzburg

Ein internationales Forschungsteam hat Fortschritte bei der Verbesserung der Materialien für die Quantensensortechnologie erzielt. Davon könnten in Zukunft Medizin, Navigation und Informationstechnologie profitieren.

Bornitrid ist ein technologisch interessantes Material, da es mit anderen 2D-Kristallstrukturen sehr gut kompatibel ist. Damit eröffnet es Wege für künstliche heterogene Strukturen oder darauf basierende elektronische Geräte mit grundlegend neuen Eigenschaften.

Vor etwa einem Jahr hat ein Team des Instituts für Physik der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Bayern erfolgreich Spindefekte, auch Qubits genannt, in einem geschichteten Bornitridkristall erzeugt und experimentell bestimmt.

In jüngerer Zeit wurde das Team unter der Leitung von Professor Vladimir Diakonov, Doktorand Andreas Gochol und PD-Gruppenleiter Dr. Andreas Sperlich bei einem wichtigen nächsten Schritt: Kohärente Kontrolle dieser Spindefekte auch bei Raumtemperatur. Forscher berichten über ihre Ergebnisse in der einflussreichen Zeitschrift Fortschritte in der Wissenschaft. Trotz der Pandemie wurde die Arbeit in intensiver internationaler Zusammenarbeit mit Gruppen der Sydney University of Technology in Australien und der Trent University in Kanada durchgeführt.

JMU-Forscher planen, eine solche gestapelte Struktur zu erreichen. Es besteht aus dem metallischen Graphen (unten), dem isolierenden Bornitrid (Mitte) und dem halbleitenden Molybdändisulfid (oben). Der rote Punkt kennzeichnet den Einzelrotationsfehler in einer der Bornitridschichten. Der Defekt könnte eine lokale Sonde im Stapel sein. Bildnachweis: Andreas Gottscholl / Universität Würzburg

Messen Sie lokale elektromagnetische Felder mit größerer Genauigkeit

„Wir erwarten, dass Materialien mit steuerbaren Spindefekten genauere Messungen lokaler EMFs ermöglichen, sobald sie im Sensor verwendet werden“, erklärt Vladimir Diakonov, da sie per Definition an der Grenze zur umgebenden Welt liegen, die kartiert werden muss . Die denkbaren Anwendungsbereiche sind die Bildgebung in der Medizin, in der Navigation und überall dort, wo eine berührungslose Messung der EMF erforderlich ist, oder in der Informationstechnologie.

„Die Forschungsgemeinschaft sucht nicht vollständig nach den besten Materialien für diesen Zweck, aber es gibt viele potenzielle Kandidaten“, sagt Sperlich. „Wir glauben, einen neuen Kandidaten gefunden zu haben, der sich durch seine flache Geometrie auszeichnet und die besten Integrationsmöglichkeiten im Bereich der Elektronik bietet.“

Die Grenzen der Rotationskonsistenzzeiten sind schwer zu überwinden

Alle spinempfindlichen Experimente wurden mit Bornitrid in JMU durchgeführt. „Wir konnten die charakteristischen Spin-Kohärenzzeiten messen, ihre Grenzen definieren und diese Grenzen sogar täuschend überwinden“, sagt Andreas Gochol, Doktorand und Erstautor der Publikation. Die Kenntnis der Spin-Kohärenzzeiten ist wichtig, um das Potenzial von Spin-Defekten für Quantenanwendungen abzuschätzen, und lange Kohärenzzeiten sind äußerst wünschenswert, da letztendlich komplexe Verarbeitungsvorgänge durchgeführt werden sollen.

Gottscholl erklärt das Prinzip in einfachen Worten: „Stellen Sie sich ein Gyroskop vor, das sich um seine Achse dreht. Es ist uns gelungen, das Vorhandensein derart kleiner Gyroskope in einer Bornitridschicht nachzuweisen. Jetzt haben wir gezeigt, wie man ein Gyroskop steuert, z. Drehen Sie es in einem beliebigen Winkel, ohne es zu berühren, und vor allem „Kontrolle in diesem Fall“.

Die Kohäsionszeit interagiert empfindlich mit benachbarten Atomschichten

Die berührungslose Verarbeitung des „Gyroskops“ (Spinbedingung) wurde durch ein hochfrequentes, gepulstes elektromagnetisches Feld, resonante Mikrowellen, erreicht. Die JMU-Forscher konnten auch bestimmen, wie lange das „Gyroskop“ seine neue Richtung beibehalten würde. Genau genommen sollte der Deklinationswinkel hier als vereinfachtes Beispiel dafür gesehen werden, dass Qubits viele verschiedene Zustände annehmen können, nicht nur 0 und 1 wie ein bisschen.

Was hat das mit Sensortechnologie zu tun? Die direkte atomare Umgebung in einem Kristall beeinflusst den Zustand des manipulierten Spins und kann seine Kohäsionszeit erheblich verkürzen. „Wir konnten die extreme Empfindlichkeit zeigen, mit der Kohäsion mit der Entfernung zum nächsten Atomkern, magnetischen Verunreinigungen, Temperatur und Magnetfeldern interagiert – so kann die Qubit-Umgebung aus der Messung der Kohäsionszeit abgeleitet werden“, erklärt Andreas Sperlich.

Ziel: elektronische Geräte mit spingeprägten Bornitridschichten

Das nächste Ziel des JMU-Teams ist die Herstellung eines künstlich gestapelten 2D-Kristalls aus verschiedenen Materialien, einschließlich einer rotierenden Lagerkomponente. Die Bausteine ​​der letzteren sind atomar dünne Bornitridschichten, die optisch aktive Defekte mit einem zugänglichen Umsatzzustand enthalten.

„Es wäre besonders schön, Rotationsfehler und deren Umfang in 2D-Geräten nicht nur optisch, sondern auch über elektrischen Strom zu kontrollieren. Dies ist ein völlig neuer Bereich“, sagt Vladimir Diakonov.

Referenz: „Kohärente Raumtemperaturkontrolle von Zirkulationsdefekten in Hexaburonnitrid“ Gepostet von Andreas Gochol, Matthias Diez, Viktor Soltamov, Christian Kasper, Andreas Sperlich, Mehran Kyaninia, Carlo Pradak, Igor Aharonovich und Vladimir Diakonov, 2. April 2021, Fortschritte in der Wissenschaft.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf3630

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Alexander von Humboldt-Stiftung gefördert. Vladimir Diakonov ist Principal Investigator am Exzellenzcluster Würzburg-Dresden ct.qmat, dessen Themen die Kontrolle von Spin-Photon-Grenzflächen in topologischen Materialsystemen umfassen.