Oamenii de știință de la Cambridge obțin stabilitatea stării cuantice mult așteptată într-un nou material 2D

Cercetătorii de la Laboratorul Cavendish au determinat coerența spinului în defectele atomice din nitrura de bor hexagonală (hBN) în condiții ambientale, o performanță rară în materialele cuantice. Studiul, publicat în revista Nature Materials, evidențiază faptul că aceste rotiri pot fi controlate cu lumină și are implicații promițătoare pentru viitoarele tehnologii cuantice, inclusiv pentru detectarea și comunicațiile securizate. Rezultatele subliniază, de asemenea, necesitatea unei explorări suplimentare pentru a îmbunătăți fiabilitatea defectelor și a extinde timpii de stocare a spinării, subliniind potențialul hBN în dezvoltarea aplicațiilor tehnologice cuantice. Credit: Eleanor Nicholls, Laboratorul Cavendish

Oamenii de știință de la Laboratorul Cavendish au descoperit coerența spinului în nitrura de bor hexagonală (hBN) în condiții normale, oferind noi orizonturi pentru aplicațiile tehnologiei cuantice.

Oamenii de știință de la Laboratorul Cavendish au descoperit că un singur „defect atomic” dintr-un material cunoscut sub numele de nitrură de bor hexagonală (hBN) menține coerența spinului la temperatura camerei și poate fi manipulat folosind lumină.

Coerența spin se referă la capacitatea spinului electronic de a reține informații cuantice în timp. Această descoperire este importantă deoarece materialele care pot găzdui proprietăți cuantice în condiții ambientale sunt foarte rare.

Rezultatele publicate în Materiale naturaleEi confirmă, de asemenea, că coerența spinului care poate fi atinsă la temperatura camerei este mai lungă decât și-au imaginat inițial cercetătorii. „Rezultatele arată că, odată ce o anumită stare cuantică este scrisă pe spinul acestor electroni, această informație este stocată timp de aproximativ o milione de secundă, făcând din acest sistem o platformă foarte promițătoare pentru aplicații cuantice”, a spus coautorul studiului Carm Gilardoni. . — este autorul lucrării și un bursier postdoctoral Rubicon la Laboratorul Cavendish.

„Acest lucru poate părea scurt, dar lucrul interesant este că acest sistem nu necesită condiții speciale, poate stoca starea cuantică de spin chiar și la temperatura camerei și fără a fi nevoie de magneți mari.”

Proprietățile nitrurii de bor hexagonale

Nitrura de bor hexagonală (hBN) este un material ultra-subțire compus din nitrură de bor hexagonalăporumb– Straturi groase, oarecum asemănătoare cu frunzele. Aceste straturi sunt ținute împreună de forțe intermoleculare. Dar uneori, există „defecte atomice” în aceste straturi, similare cu un cristal cu molecule prinse în interior. Aceste defecte pot absorbi și emite lumină în domeniul vizibil prin tranziții optice bine definite și pot servi drept capcane locale pentru electroni. Din cauza acestor „defecte atomice” din interiorul hBN, oamenii de știință pot studia acum cum se comportă acești electroni prinși. Ei pot studia proprietatea spinului, care permite electronilor să interacționeze cu câmpurile magnetice. Ceea ce este cu adevărat interesant este că cercetătorii pot controla și manipula spinul electronilor folosind lumina din interiorul acestor defecte la temperatura camerei.

Această descoperire deschide calea pentru viitoare aplicații tehnologice, în special în tehnologia senzorilor.

Cu toate acestea, deoarece aceasta este prima dată când cineva a raportat coerența spin-ului pentru sistem, există multe care trebuie investigate înainte ca acesta să fie suficient de matur pentru aplicațiile tehnologice. Oamenii de știință încă încearcă să descopere cum să facă aceste defecte mai bune și mai fiabile. În prezent, ei investighează cât de mult putem extinde timpul de stocare a spinării și dacă putem îmbunătăți parametrii sistemului și ai materialelor care sunt importanți pentru aplicațiile tehnologice cuantice, cum ar fi stabilitatea defectului în timp și calitatea luminii emise de acel defect.

Perspective de viitor și concluzii

„Lucrul cu acest sistem ne-a evidențiat puterea investigației materialelor fundamentale În ceea ce privește sistemul hBN, noi, ca domeniu, putem valorifica dinamica stării excitate în alte noi platforme de materiale pentru a fi utilizate în viitoarele tehnologii cuantice.” Society Research Fellow și lector la Universitatea din Manchester.

În viitor, cercetătorii caută să dezvolte sistemul în continuare, explorând multe direcții diferite, de la senzori cuantici la comunicații securizate.

„Fiecare nou sistem promițător va extinde setul de instrumente de materiale disponibile și fiecare nou pas în această direcție va avansa în implementarea scalabilă a tehnologiilor cuantice. Aceste rezultate confirmă promisiunea „materialelor stratificate pentru a atinge aceste obiective”.

Referință: „Spin cuantic coerent în nitrură de bor hexagonală în condiții ambientale” de Hannah L. Stern, Carm M. Gilardoni, Qiushi Guo, Simone Izaguirre-Parker, Oliver F.J. Powell, Xiaoxi Ding, Stephanie A. Fraser, Lewis Follett, Chi Li, Andrew J. Ramsay, Hark Ho Tan, Igor Aharonovitch și Mete Atatori, 20 mai 2024, Materiale naturale.
doi: 10.1038/s41563-024-01887-z