Forskare har upptäckt att en ”enstaka atomdefekt” i ett 2D-material i lager kan hålla kvar kvantinformation i mikrosekunder vid rumstemperatur, vilket understryker 2D-materialens potential i utvecklingen av kvantteknologier.
Defekten, som hittades av forskare från universiteten i Manchester och Cambridge med hjälp av ett tunt material som kallas hexagonal bornitrid (hBN), visar spinnkoherens – en egenskap där ett elektroniskt spinn kan behålla kvantinformation – under omgivande förhållanden. De fann också att dessa spinn kan kontrolleras med ljus.
Hittills har endast ett fåtal solid state-material kunnat göra detta, vilket innebär ett betydande steg framåt inom kvantteknologin.
Resultaten, som publiceras i Nature Materials, bekräftar ytterligare att den tillgängliga spinnkoherensen vid rumstemperatur är längre än vad forskarna ursprungligen föreställde sig att den kunde vara.
Carmem M. Gilardoni, medförfattare till artikeln och postdoktor vid Cavendish Laboratory vid University of Cambridge, där forskningen utfördes, säger: ”Resultaten visar att när vi väl har skrivit in ett visst kvanttillstånd i dessa elektroners spinn, lagras denna information i ~1 miljondels sekund, vilket gör detta system till en mycket lovande plattform för kvanttillämpningar.
”Det kan tyckas kort, men det intressanta är att det här systemet inte kräver några speciella förhållanden – det kan lagra spinnkvanttillståndet även vid rumstemperatur och utan krav på stora magneter.”
Hexagonal bornitrid (hBN) är ett ultratunt material som består av staplade skikt som är en atom tjocka, ungefär som pappersark. Dessa lager hålls samman av krafter mellan molekyler, men ibland finns det små brister mellan dessa lager som kallas ”atomära defekter”, liknande en kristall med molekyler fångade inuti den. Dessa defekter kan absorbera och avge ljus som vi kan se, och de kan också fungera som lokala fällor för elektroner.
På grund av defekterna i hBN kan forskarna nu studera hur dessa fångade elektroner beter sig, särskilt spinnegenskaperna, som gör att elektronerna kan interagera med magnetfält. De kan också kontrollera och manipulera elektronernas spinn med hjälp av ljus i dessa defekter vid rumstemperatur – något som aldrig har gjorts tidigare.
Dr. Hannah Stern, försteförfattare till artikeln och Royal Society University Research Fellow och föreläsare vid University of Manchester, säger: ”Att arbeta med detta system har visat oss kraften i den grundläggande undersökningen av nya material. Precis som för hBN-systemet kan vi som fält utnyttja dynamiken i exciterade tillstånd i andra nya materialplattformar för användning i framtida kvantteknologier.
”Varje nytt lovande system kommer att bredda verktygslådan av tillgängliga material, och varje nytt steg i denna riktning kommer att främja den skalbara implementeringen av kvantteknologier.”
Prof Richard Curry tillade: ”Forskning om material för kvantteknik är avgörande för att stödja Storbritanniens ambitioner inom detta område. Detta arbete representerar ytterligare ett ledande genombrott från en forskare vid University of Manchester inom området material för kvantteknik, vilket ytterligare stärker den internationella påverkan av vårt arbete inom detta område.”
Även om det återstår mycket att undersöka innan materialet är tillräckligt moget för tekniska tillämpningar, banar upptäckten väg för framtida tekniska tillämpningar, särskilt inom sensorteknik.
Forskarna håller fortfarande på att ta reda på hur de kan göra dessa defekter ännu bättre och mer tillförlitliga och undersöker för närvarande hur långt de kan förlänga spinnlagringstiden. De undersöker också om de kan optimera de system- och materialparametrar som är viktiga för kvantteknologiska tillämpningar, t.ex. defektens stabilitet över tid och kvaliteten på det ljus som avges från denna defekt.
Ytterligare information: Hannah L. Stern et al, A quantum coherent spin in hexagonal boron nitride at ambient conditions, Nature Materials (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01887-z
