Schematische Darstellung der kohärenten Kontrolle eines Spinnendefekts (rot) in einer atomaren Schicht aus Bornitrid. Bornitrid besteht aus Bor (gelbe Kugeln) und Stickstoff (blaue Kugeln) und liegt auf einer Streifenleitung. Der Spinfehler wird von einem Laser erzeugt und sein Zustand wird durch Photolumineszenz abgelesen. Das Qubit kann durch Mikrowellenimpulse (hellblau) von der Streifenleitung sowie durch ein Magnetfeld manipuliert werden. Bildnachweis: Andreas Gottscholl / Universität Würzburg

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

Bornitrid ist ein technologisch interessantes Material, da es mit anderen zweidimensionalen kristallinen Strukturen sehr gut kompatibel ist. Es eröffnet daher 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, Spinnendefekte, auch Qubits genannt, in einem geschichteten Bornitridkristall zu erzeugen und experimentell zu identifizieren.

Kürzlich hat das Team unter der Leitung von Professor Vladimir Dyakonov, seinem Doktoranden Andreas Gottscholl und dem Gruppenleiter PD Dr. Andreas Sperlich gelang ein wichtiger nächster Schritt: die kohärente Kontrolle solcher Spinnendefekte auch bei Raumtemperatur. Die Forscher berichten über ihre Ergebnisse im Impactful Journal Fortschritte in der Wissenschaft. Trotz der Pandemie arbeiteten wir intensiv international mit Gruppen der University of Technology Sydney in Australien und der Trent University in Kanada zusammen.

Die JMU-Forscher planen, eine solche gestapelte Struktur zu realisieren. Es besteht aus metallischem Graphen (unten), isolierendem Bornitrid (Mitte) und halbleitendem Molybdändisulfid (oben). Der rote Punkt symbolisiert den einzelnen Spinnendefekt in einer der Bornitridschichten. Der Defekt kann als lokale Sonde im Stapel wirken. Bildnachweis: Andreas Gottscholl / Universität Würzburg

Messen Sie lokale elektromagnetische Felder noch genauer

„Wir erwarten, dass Materialien mit nachweisbaren Spinnendefekten genauere Messungen lokaler elektromagnetischer Felder ermöglichen, sobald sie in einem Sensor verwendet werden“, erklärt Vladimir Dyakonov. „Dies liegt daran, dass sie per Definition am Rande der umgebenden Welt liegen. Möglich Anwendungsgebiete sind Bildgebung in der Medizin, Navigation, überall dort, wo eine berührungslose Messung elektromagnetischer Felder erforderlich ist, oder in der Informationstechnologie.

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

Einschränkungen der Spin-Kohärenzzeiten sind schwer zu überwinden

Alle spinempfindlichen Experimente mit dem Bornitrid wurden an der JMU durchgeführt. „Wir konnten die charakteristischen Spin-Kohärenzzeiten messen, ihre Grenzen bestimmen und diese Grenzen sogar auf knifflige Weise überwinden“, freut sich Andreas Gottscholl, Doktorand und Hauptautor 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 letztendlich komplexe Manipulationen durchgeführt werden sollen.

Gottscholl erklärt das Prinzip vereinfacht: „Stellen Sie sich ein Gyroskop vor, das sich um seine Achse dreht. Wir konnten nachweisen, dass solche Mini-Gyroskope in einer Bornitridschicht vorhanden sind. Und jetzt haben wir gezeigt, wie man das Gyroskop steuert, dh es in einem beliebigen Winkel biegt, ohne es zu berühren, und vor allem diesen Zustand steuert. „“

Die Kohärenzzeit reagiert empfindlich auf benachbarte Atomschichten

Die berührungslose Manipulation des „Gyroskops“ (der Spinzustand) wurde durch das gepulste hochfrequente elektromagnetische Feld, die resonierenden Mikrowellen, erreicht. Die JMU-Forscher konnten auch feststellen, wie lange das „Gyroskop“ seine neue Ausrichtung beibehält. Genau genommen sollte der Ablenkwinkel hier als vereinfachte Darstellung der Tatsache angesehen 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 die Kohärenzzeit erheblich verkürzen. „Wir konnten zeigen, wie extrem empfindlich die Kohärenz auf den Abstand zu den nächsten Atomen und Kernen, auf magnetische Verunreinigungen, auf Temperatur und auf Magnetfelder reagiert, sodass die Umgebung des Qubits aus der Kohärenzzeitmessung abgeleitet werden kann. „, Erklärt Andreas Sperlich.

Zweck: elektronische Geräte mit spinnendekorierten Bornitridschichten

Das nächste Ziel des JMU-Teams ist die Realisierung eines künstlich gestapelten zweidimensionalen Kristalls aus verschiedenen Materialien, einschließlich eines spinnenstützenden Teils. Die wesentlichen Bausteine ​​für letztere sind atomar dünne Bornitridschichten mit optisch aktiven Defekten mit einem zugänglichen Spinzustand.

„Es wäre besonders attraktiv, die Spinnendefekte und ihre Umgebung in den 2D-Geräten nicht nur optisch, sondern auch über den elektrischen Strom zu kontrollieren. Dies ist ein völlig neues Gebiet “, sagt Vladimir Dyakonov.

Referenz: „Kohärente Kontrolle von Spinnendefekten 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, 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 Dyakonov ist Hauptforscher im Würzburger-Dresdner Exzellenzcluster ct.qmat, dessen Themen die Kontrolle von Spin-Photon-Grenzflächen in topologischen Materialsystemen umfassen.