Исследователи из Школы инженерии и прикладных наук Пенсильванского университета продемонстрировали новую аппаратную платформу, основанную на изолированных электронных спинах в двумерном материале. Электроны захватываются дефектами в листах гексагонального нитрида бора, полупроводникового материала толщиной в один атом, и исследователи смогли оптически обнаружить квантовые состояния системы.
Исследование возглавляли Ли Бассет, доцент кафедры электротехники и системотехники, и Аннемари Экзархос, в то время занимавшаяся постдокторским исследованием в его лаборатории.
Товарищи-члены Bassett Lab Дэвид Хоппер и Радж Патель, а также Маркус Доэрти из Австралийского национального университета также внесли свой вклад в исследование.
Он был опубликован в журнале Nature Communications.
Существует ряд потенциальных архитектур для создания квантовых технологий. Одна многообещающая система включает электронные спины в алмазах: эти спины также захватываются дефектами регулярной кристаллической структуры алмаза, где атомы углерода отсутствуют или заменяются другими элементами.
Дефекты действуют как изолированные атомы или молекулы, и они взаимодействуют со светом таким образом, что позволяет измерять их спин и использовать в качестве кубита.
Эти системы привлекательны для квантовой технологии, потому что они могут работать при комнатных температурах, в отличие от других прототипов, основанных на сверххолодных сверхпроводниках или ионах, захваченных в вакууме, но работа с объемным алмазом представляет свои собственные проблемы.
«Одним из недостатков использования вращений в трехмерных материалах является то, что мы не можем точно контролировать их положение относительно поверхности», – говорит Бассетт. "Такой уровень контроля над атомным масштабом – одна из причин работать в 2D. Может быть, вы хотите разместить одно вращение здесь и одно вращение там, и попросить их поговорить друг с другом.
Или, если вы хотите вращать слой из одного материала и наложить на него двумерный магнитный слой, чтобы они взаимодействовали. Когда вращения ограничены одной атомной плоскостью, вы активируете множество новых функций."
Благодаря достижениям нанотехнологий, создающим расширяющуюся библиотеку 2D-материалов на выбор, Бассетт и его коллеги искали тот, который больше всего походил бы на плоский аналог массивного алмаза.
«Вы можете подумать, что аналогом будет графен, который представляет собой просто сотовую решетку из атомов углерода, но здесь нас больше заботят электронные свойства кристалла, чем тип атомов, из которых он состоит», – говорит Экзархос, который сейчас является помощником. профессор физики в университете Лафайет. "Графен ведет себя как металл, в то время как алмаз является широкозонным полупроводником и, таким образом, действует как изолятор. С другой стороны, гексагональный нитрид бора имеет ту же сотовую структуру, что и графен, но, как и алмаз, он также является широкозонным полупроводником и уже широко используется в качестве диэлектрического слоя в 2D-электронике."
Широко доступный и хорошо охарактеризованный гексагональный нитрид бора, или h-BN, Бассетт и его коллеги сосредоточили на одном из его менее понятных аспектов: дефектах в его сотовой решетке, которые могут излучать свет.
То, что средний кусок h-BN содержит дефекты, излучающие свет, было известно ранее. Группа Бассетта первой показала, что для некоторых из этих дефектов интенсивность излучаемого света изменяется в ответ на магнитное поле.
«Мы светим светом одного цвета на материал и получаем обратно фотоны другого цвета», – говорит Бассетт. "Магнит управляет вращением, а вращение – количеством фотонов, которые испускают дефекты h-BN.
Это сигнал, который вы потенциально можете использовать в качестве кубита."
Помимо вычислений, наличие строительного блока кубитов квантовой машины на двумерной поверхности позволяет использовать другие потенциальные приложения, которые зависят от близости.
«Квантовые системы очень чувствительны к окружающей среде, поэтому их так сложно изолировать и контролировать», – говорит Бассетт. "Но оборотная сторона заключается в том, что вы можете использовать эту чувствительность для создания новых типов датчиков. В принципе, эти маленькие спины могут быть миниатюрными детекторами ядерного магнитного резонанса, такими как те, что используются в МРТ, но с возможностью работы с одной молекулой.
Ядерный магнитный резонанс в настоящее время используется для изучения молекулярной структуры, но он требует, чтобы миллионы или миллиарды целевой молекулы были собраны в кристалл. Напротив, двумерные квантовые датчики могут измерять структуру и внутреннюю динамику отдельных молекул, например, для изучения химических реакций и сворачивания белков.
Хотя исследователи провели обширный обзор дефектов h-BN, чтобы обнаружить те, которые обладают особыми спин-зависимыми оптическими свойствами, точная природа этих дефектов все еще неизвестна.
Следующие шаги для команды включают в себя понимание того, почему некоторые, но не все, дефекты чувствительны к магнитным полям, а затем воссоздание этих полезных дефектов.
Часть этой работы будет поддержана Центром нанотехнологий Пенна Сингха и его новым микроскопом JEOL NEOARM.
NEOARM – единственный в своем роде просвечивающий электронный микроскоп в США, способный разрешать отдельные атомы и потенциально даже создавать те дефекты, с которыми исследователи хотят работать.
«Это исследование объединяет две основные области научных исследований», – говорит Бассетт. «С одной стороны, была проделана огромная работа по расширению библиотеки 2D-материалов и пониманию физики, которую они демонстрируют, и устройств, которые они могут сделать.
С другой стороны, идет развитие различных квантовых архитектур. И это один из первых, кто объединил их, чтобы сказать: «Вот квантовая архитектура, потенциально имеющая комнатную температуру, в 2D-материале».’"
Эта работа была поддержана Исследовательским офисом армии (W911NF-15-1-0589), Австралийским исследовательским советом (DE170100169) и Национальным научным фондом через Программу центра исследований материалов и инженерии (DMR-1720530) и Национальную координированную инфраструктуру по нанотехнологиям. Программа (NNCI-1542153)