Verbesserte Materialien für die Quantensensortechnologie

Schematische Darstellung der kohärenten Kontrolle eines Spindefekts (rot) in einer atomaren Schicht aus Bornitrid. Bornitrid besteht aus Bor (gelbe Kugeln) und Stickstoff (blaue Kugeln) und sitzt auf einer Streifenleitung. Der Spindefekt wird von einem Laser angeregt und sein Zustand durch Photolumineszenz abgelesen. Das Qubit kann sowohl durch Mikrowellenimpulse (hellblau) vom Striplin als auch durch ein Magnetfeld manipuliert werden. Bildnachweis: Andreas Gottscholl / Universität Würzburg

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

Bornitrid ist ein technologisch interessantes Material, da es mit anderen zweidimensionalen Kristallstrukturen sehr gut kompatibel ist. Es eröffnet somit den Weg zu künstlichen Heterostrukturen oder darauf aufgebauten elektronischen Geräten mit grundlegend neuen Eigenschaften.

Vor etwa einem Jahr gelang es einem Team des Instituts für Physik der Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg in Bayern, Spinfehler, auch Qubits genannt, in einem laminierten Bornitridkristall zu erzeugen und experimentell zu identifizieren .

Kürzlich gelang es dem Team um Professor Vladimir Dyakonov, seinen Doktoranden Andreas Gottscholl und den PD-Gruppenleiter Dr. Andreas Sperlich, einen wichtigen Schritt zu tun: die konsequente Kontrolle dieser Spindefekte auch bei Raumtemperatur. Forscher berichten über Ergebnisse in einem schlagkräftigen Journal Wissenschaftlicher Fortschritt. Trotz der Pandemie wurde die Arbeit durch intensive internationale Zusammenarbeit mit Gruppen der Sydney University of Technology in Australien und der Trent University in Kanada durchgeführt.

JMU-Forscher planen eine solche gestapelte Struktur. Es besteht aus metallischem Graphen (unten), isolierendem Bornitrid (Mitte) und Halbleitermolybdändisulfid (oben). Der rote Punkt symbolisiert den einzelnen Spindefekt in einer der Bornitridschichten. Der Fehler kann als lokale Sonde im Stapel dienen. Bildnachweis: Andreas Gottscholl / Universität Würzburg

Messen Sie lokale elektromagnetische Felder noch genauer

„Wir gehen davon aus, dass Materialien mit steuerbaren Spindefekten genauere Messungen lokaler elektromagnetischer Felder ermöglichen, sobald sie in einem Sensor verwendet werden“, sagt Vladimir Dyakonov. „Und das liegt daran, dass sie sich per Definition an der Grenze der umgebenden Welt befinden muss zugeordnet werden. Mögliche Anwendungsgebiete sind Bildgebung in der Medizin, Navigation, wo berührungslose Messung elektromagnetischer Felder erforderlich ist, oder in Informationstechnologien.

„Die Suche der Forschungsgemeinschaft nach dem besten Material dafür ist noch nicht abgeschlossen, aber es gibt mehrere potenzielle Kandidaten“, fügt Andreas Sperlich hinzu. „Wir glauben, einen neuen Kandidaten gefunden zu haben, der sich durch seine flache Geometrie auszeichnet, die die besten Möglichkeiten für die Integration in die Elektronik bietet.“

Grenzen der Spin-Kohärenzzeiten werden nur schwer überwunden

Alle spinempfindlichen Experimente mit Bornitrid wurden an der JMU durchgeführt. „Wir konnten charakteristische Spin-Kohärenzzeiten messen, ihre Grenzen bestimmen und diese Grenzen sogar auf heikle Weise überwinden“, freut sich Andreas Gottscholl, Doktorand und Erstautor der Publikation. Die Kenntnis der Spin-Kohärenzzeiten ist erforderlich, um das Potenzial von Spin-Defekten für Quantenanwendungen abzuschätzen, und lange Kohärenzzeiten sind äußerst wünschenswert, da möglicherweise komplexe Manipulationen durchgeführt werden sollen.

Gottscholl erklärt das Prinzip vereinfacht: „Stellen Sie sich ein Gyroskop vor, das sich um seine Achse dreht. Es ist uns gelungen zu beweisen, dass solche Mini-Gyroskope in einer Schicht aus Bornitrid vorhanden sind. Und jetzt haben wir gezeigt, wie man das Gyroskop steuert, dh zum Beispiel aus jedem Winkel ablenkt, ohne es zu berühren, und vor allem, um diesen Zustand zu steuern.

Die Kohärenzzeit reagiert empfindlich auf benachbarte Atomschichten

Die berührungslose Manipulation des „Gyroskops“ (des Spinzustands) wurde durch das gepulste hochfrequente elektromagnetische Feld, resonante Mikrowellen, erreicht. JMU-Forscher konnten auch feststellen, wie lange das „Gyroskop“ seine neue Ausrichtung beibehält. Genau genommen sollte der Ablenkwinkel hier als vereinfachte Darstellung der Tatsache gesehen werden, dass ein Qubit viele verschiedene Zustände annehmen kann, nicht nur 0 und 1 wie ein bisschen.

Was hat das mit Sensortechnologie zu tun? Die direkte atomare Umgebung in einem Kristall beeinflusst den manipulierten Spinzustand und kann seine Kohärenzzeit drastisch reduzieren. „Wir konnten zeigen, wie die Kohärenz äußerst empfindlich auf den Abstand zu den nächsten Atomen und Atomkernen, auf magnetische Verunreinigungen, auf Temperatur und auf Magnetfelder reagiert – daher kann die Umgebung des Qubits aus der Messung der Kohärenzzeit abgeleitet werden ”, Erklärt Andreas Sperlich.

Zweck: Elektronische Geräte mit durch Rotation dekorierten Bornitridschichten

Das nächste Ziel des JMU-Teams ist die Herstellung eines künstlich gestapelten zweidimensionalen Kristalls aus verschiedenen Materialien, einschließlich einer spintragenden Komponente. Die wesentlichen Bausteine ​​der letzteren sind atomar dünne Bornitridschichten, die optisch aktive Defekte mit einem zugänglichen Spinzustand enthalten.

„Es wäre besonders interessant, Spindefekte und ihre Umgebung in 2D-Geräten nicht nur optisch, sondern auch über elektrischen Strom zu steuern. Es ist völlig neues Gebiet “, sagt Vladimir Dyakonov.

Referenz: „Kohärente Kontrolle von Spindefekten in hexagonalem Bornitrid bei Raumtemperatur“ von Andreas Gottscholl, Matthias Diez, Victor Soltamov, Christian Kasper, Andreas Sperlich, Mehran Kianinia, Carlo Bradac, Igor Aharonovich und Vladimir Dyakonov, 2. April 2021, Wissenschaftlicher Fortschritt.
DOI: 10.1126 / sciadv.abf3630

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