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改进用于量子传感器技术的材料方面取得了进展
来源:赛斯维传感器网 发表于 2021/4/13

氮化硼原子层中自旋缺陷(红色)的相干控制的示意图。氮化硼由硼(黄色球)和氮(蓝色球)组成,位于带状线上。自旋缺陷被激光激发,并通过光致发光读出其状态。量子位既可以通过带状线的微波脉冲(浅蓝色)来控制,也可以通过磁场来控制。图片来源:andreas gottscholl /维尔茨堡大学


氮化硼是一种技术上令人感兴趣的材料,因为它与其他二维晶体结构非常相容。因此,它为人造异质结构或在其上构建具有根本新特性的电子设备开辟了道路。


大约一年前,德国巴伐利亚州维尔茨堡的朱利叶斯·马克西米利安斯大学(jmu)物理研究所的一个团队成功地在层状氮化硼晶体中产生了自旋缺陷,也称为量子位,并通过实验进行了鉴定。


最近,由弗拉基米尔·迪亚科诺夫(vladimir dyakonov)教授领导的研究小组获得了博士学位。学生andreas gottscholl和pd小组负责人andreas sperlich博士成功地迈出了重要的下一步:对此类自旋缺陷的连贯控制,甚至在室温下也是如此。研究人员在有影响力的《科学进展》杂志上报告了他们的发现。尽管发生了大流行,但这项工作还是与澳大利亚悉尼科技大学和加拿大特伦特大学的团队进行了广泛的国际合作进行的。


更加精确地测量局部电磁场

弗拉基米尔·戴亚科诺夫(vladimir dyakonov)解释说:“我们期望具有可控自旋缺陷的材料一旦用于传感器,将能够更精确地测量局部电磁场,这是因为按照定义,它们位于周围世界的边界,可能的应用领域是医学,导航,需要电磁场非接触式测量的任何地方或信息技术中的成像。


andreas sperlich补充说:“研究界尚未找到最合适的材料,但是有几种潜在的候选方案。” “我们相信我们发现了一个因其扁平的几何形状而脱颖而出的新候选人,它具有电子学中最佳的集成可能性。”


旋转相干时间的限制可以轻松克服

jmu研究人员计划实现这种堆叠结构。它由金属石墨烯(底部),绝缘氮化硼(中间)和半导体二硫化钼(顶部)组成。红点表示氮化硼层之一中的单自旋缺陷。缺陷可以用作堆栈中的本地探针。图片来源:andreas gottscholl /维尔茨堡大学


使用氮化硼的所有自旋敏感实验均在jmu上进行。“我们能够测量自旋相干时间的特征,确定其极限,甚至可以克服这些极限,”高兴的andreas gottscholl博士说。学生和出版物的第一作者。自旋相干时间的知识对于估计量子应用中自旋缺陷的潜力是必不可少的,并且长相干时间非常可取,因为人们最终想要执行复杂的操作。


gottscholl用简单的术语解释了该原理:“想象一下陀螺仪绕其轴旋转。我们已经成功证明了这种微型陀螺仪存在于氮化硼层中。现在我们已经展示了如何控制陀螺仪,例如,使它即使不触摸也能偏转任何角度,最重要的是控制这种状态。”


相干时间对相邻原子层敏感地反应

“陀螺仪”(自旋状态)的非接触式操纵是通过脉冲高频电磁场,共振微波实现的。jmu研究人员还能够确定“陀螺仪”保持新方位的时间。严格来说,偏转角在这里应视为一个简化的图示,说明一个量子位可以呈现许多不同的状态,而不仅仅是像0和1这样的状态。


这与传感器技术有什么关系?晶体中的直接原子环境会影响受控的自旋状态,并且可以大大缩短其相干时间。“我们能够证明相干性对距离最近的原子和原子核,磁性杂质,温度和磁场的反应有多高的敏感性,因此可以通过测量相干时间来推导量子位的环境”。


目标:具有旋转装饰氮化硼层的电子设备

jmu团队的下一个目标是实现由不同材料(包括旋转轴承组件)制成的人工堆叠二维晶体。后者的基本组成部分是原子薄的氮化硼层,其中包含具有可接近的自旋态的光学活性缺陷。


弗拉基米尔·戴亚科诺夫(vladimir dyakonov)表示:“不仅要光学控制,而且要通过电流控制2d器件中的自旋缺陷及其周围环境,这将特别吸引人。”


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