氮化硼原子層中自旋缺陷（紅色）的相干控制的示意圖。氮化硼由硼（黃色球）和氮（藍色球）組成，位于帶狀線上。自旋缺陷被激光激發(fā)，并通過光致發(fā)光讀出其狀態(tài)。量子位既可以通過帶狀線的微波脈沖（淺藍色）來控制，也可以通過磁場來控制。圖片來源：Andreas Gottscholl /維爾茨堡大學

氮化硼是一種技術(shù)上令人感興趣的材料，因為它與其他二維晶體結(jié)構(gòu)非常相容。因此，它為人造異質(zhì)結(jié)構(gòu)或在其上構(gòu)建具有根本新特性的電子設(shè)備開辟了道路。

大約一年前，德國巴伐利亞州維爾茨堡的朱利葉斯·馬克西米利安斯大學（JMU）物理研究所的一個團隊成功地在層狀氮化硼晶體中產(chǎn)生了自旋缺陷，也稱為量子位，并通過實驗進行了鑒定。

最近，由弗拉基米爾·迪亞科諾夫（Vladimir Dyakonov）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組獲得了博士學位。學生Andreas Gottscholl和PD小組負責人Andreas Sperlich博士成功地邁出了重要的下一步：對此類自旋缺陷的連貫控制，甚至在室溫下也是如此。研究人員在有影響力的《科學進展》雜志上報告了他們的發(fā)現(xiàn)。盡管發(fā)生了大流行，但這項工作還是與澳大利亞悉尼科技大學和加拿大特倫特大學的團隊進行了廣泛的國際合作進行的。

更加精確地測量局部電磁場

弗拉基米爾·戴亞科諾夫（Vladimir Dyakonov）解釋說：“我們期望具有可控自旋缺陷的材料一旦用于傳感器，將能夠更精確地測量局部電磁場，這是因為按照定義，它們位于周圍世界的邊界，可能的應(yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)學，導(dǎo)航，需要電磁場非接觸式測量的任何地方或信息技術(shù)中的成像。

Andreas Sperlich補充說：“研究界尚未找到最合適的材料，但是有幾種潛在的候選方案�！� “我們相信我們發(fā)現(xiàn)了一個因其扁平的幾何形狀而脫穎而出的新候選人，它具有電子學中最佳的集成可能性。”

旋轉(zhuǎn)相干時間的限制可以輕松克服

JMU研究人員計劃實現(xiàn)這種堆疊結(jié)構(gòu)。它由金屬石墨烯（底部），絕緣氮化硼（中間）和半導(dǎo)體二硫化鉬（頂部）組成。紅點表示氮化硼層之一中的單自旋缺陷。缺陷可以用作堆棧中的本地探針。圖片來源：Andreas Gottscholl /維爾茨堡大學

使用氮化硼的所有自旋敏感實驗均在JMU上進行。“我們能夠測量自旋相干時間的特征，確定其極限，甚至可以克服這些極限，”高興的Andreas Gottscholl博士說。學生和出版物的第一作者。自旋相干時間的知識對于估計量子應(yīng)用中自旋缺陷的潛力是必不可少的，并且長相干時間非�？扇�，因為人們最終想要執(zhí)行復(fù)雜的操作。

Gottscholl用簡單的術(shù)語解釋了該原理：“想象一下陀螺儀繞其軸旋轉(zhuǎn)。我們已經(jīng)成功證明了這種微型陀螺儀存在于氮化硼層中�，F(xiàn)在我們已經(jīng)展示了如何控制陀螺儀，例如，使它即使不觸摸也能偏轉(zhuǎn)任何角度，最重要的是控制這種狀態(tài)。”

相干時間對相鄰原子層敏感地反應(yīng)

“陀螺儀”（自旋狀態(tài)）的非接觸式操縱是通過脈沖高頻電磁場，共振微波實現(xiàn)的。JMU研究人員還能夠確定“陀螺儀”保持新方位的時間。嚴格來說，偏轉(zhuǎn)角在這里應(yīng)視為一個簡化的圖示，說明一個量子位可以呈現(xiàn)許多不同的狀態(tài)，而不僅僅是像0和1這樣的狀態(tài)。

這與傳感器技術(shù)有什么關(guān)系？晶體中的直接原子環(huán)境會影響受控的自旋狀態(tài)，并且可以大大縮短其相干時間。“我們能夠證明相干性對距離最近的原子和原子核，磁性雜質(zhì)，溫度和磁場的反應(yīng)有多高的敏感性，因此可以通過測量相干時間來推導(dǎo)量子位的環(huán)境”。

目標：具有旋轉(zhuǎn)裝飾氮化硼層的電子設(shè)備

JMU團隊的下一個目標是實現(xiàn)由不同材料（包括旋轉(zhuǎn)軸承組件）制成的人工堆疊二維晶體。后者的基本組成部分是原子薄的氮化硼層，其中包含具有可接近的自旋態(tài)的光學活性缺陷。

弗拉基米爾·戴亞科諾夫（Vladimir Dyakonov）表示：“不僅要光學控制，而且要通過電流控制2D器件中的自旋缺陷及其周圍環(huán)境，這將特別吸引人。”