氮化硼原子層中自旋缺陷（紅色）的相干控制示意圖。氮化硼由硼（黃色球體）和氮（藍(lán)色球體）組成，位于帶狀線上。自旋缺陷由激光激發(fā)，其狀態(tài)通過光致發(fā)光讀出。量子位可以通過帶狀線的微波脈沖（淺藍(lán)色）和磁場來操縱。圖片來源：Andreas Gottscholl/維爾茨堡大學(xué)

氮化硼是一種技術(shù)上有趣的材料，因?yàn)樗�與其他二維晶體結(jié)構(gòu)非常兼容。因此，它為人造異質(zhì)結(jié)構(gòu)或在其上構(gòu)建的具有全新特性的電子設(shè)備開辟了道路。

大約一年前，來自德國巴伐利亞州維爾茨堡 Julius-Maximilians-Universitt (JMU) 物理研究所的一個團(tuán)隊(duì)成功地在氮化硼層狀晶體中產(chǎn)生自旋缺陷，也稱為量子位，并通過實(shí)驗(yàn)對其進(jìn)行識別。

最近，由他的博士 Vladimir Dyakonov 教授領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)。學(xué)生 Andreas Gottscholl 和小組負(fù)責(zé)人 PD Andreas Sperlich 博士成功地采取了重要的下一步：對此類自旋缺陷進(jìn)行連貫控制，即使在室溫下也是如此。研究人員在有影響力的期刊《科學(xué)進(jìn)展》上報告了他們的發(fā)現(xiàn)。盡管發(fā)生了大流行，但這項(xiàng)工作是在與澳大利亞悉尼科技大學(xué)和加拿大特倫特大學(xué)的團(tuán)體的密切國際合作中進(jìn)行的。

更精確地測量局部電磁場

Vladimir Dyakonov 解釋說：“我們希望具有可控自旋缺陷的材料一旦用于傳感器，就可以更精確地測量局部電磁場，這是因?yàn)楦鶕?jù)定義，它們位于周圍世界的邊界，可以想象的應(yīng)用領(lǐng)域包括醫(yī)學(xué)成像、導(dǎo)航、需要對電磁場進(jìn)行非接觸式測量的任何地方，或者信息技術(shù)。

“研究界對此最佳材料的搜索尚未完成，但有幾個潛在的候選者，”Andreas Sperlich 補(bǔ)充道。“我們相信我們找到了一個新的候選者，因其扁平的幾何形狀而脫穎而出，這為電子產(chǎn)品提供了最佳的集成可能性�！�

巧妙克服自旋相干時間的限制

JMU 研究人員計劃實(shí)現(xiàn)這種堆疊結(jié)構(gòu)。它由金屬石墨烯（下）、絕緣氮化硼（中）和半導(dǎo)體二硫化鉬（上）組成。紅點(diǎn)象征氮化硼層之一中的單一自旋缺陷。缺陷可以作為堆棧中的局部探針。圖片來源：Andreas Gottscholl/維爾茨堡大學(xué)

所有使用氮化硼的自旋敏感實(shí)驗(yàn)均在 JMU 進(jìn)行。“我們能夠測量特征自旋相干時間，確定它們的極限，甚至巧妙地克服這些極限，”Andreas Gottscholl 博士說。該出版物的學(xué)生和第一作者。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要的，并且當(dāng)人們最終想要執(zhí)行復(fù)雜的操作時，非常需要長的相干時間。

Gottscholl 用簡化的術(shù)語解釋了這個原理：“想象一個繞其軸旋轉(zhuǎn)的陀螺儀。我們已經(jīng)成功地證明了這種微型陀螺儀存在于一層氮化硼中�，F(xiàn)在我們已經(jīng)展示了如何控制陀螺儀，即，例如，以任何角度偏轉(zhuǎn)它甚至不接觸它，最重要的是，控制這種狀態(tài)�！�

相干時間對相鄰原子層反應(yīng)靈敏

“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(shí)現(xiàn)的。JMU 研究人員還能夠確定“陀螺儀”保持其新方向的時間。嚴(yán)格來說，偏轉(zhuǎn)角在這里應(yīng)該被視為一個簡單的說明，一個量子位可以呈現(xiàn)許多不同的狀態(tài)，而不僅僅是 0 和 1 之類的。

這與傳感器技術(shù)有什么關(guān)系？晶體中的直接原子環(huán)境會影響操縱的自旋狀態(tài)，并可以大大縮短其相干時間�！拔覀兡軌蛘故鞠喔尚詫εc最近原子和原子核的距離、磁性雜質(zhì)、溫度和磁場的反應(yīng)是多么敏感——因此可以從相干時間的測量中推斷出量子位的環(huán)境，”Andreas Sperlich 解釋道。

目標(biāo)：具有自旋裝飾氮化硼層的電子設(shè)備

JMU 團(tuán)隊(duì)的下一個目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一種由不同材料制成的人工堆疊二維晶體，其中包括一個自旋軸承組件。后者的基本組成部分是原子級薄的氮化硼層，其中包含具有可接近自旋態(tài)的光學(xué)活性缺陷。

“不僅在光學(xué)上，而且通過電流來控制二維器件中的自旋缺陷及其周圍環(huán)境，這將特別有吸引力。這是一個全新的領(lǐng)域，”弗拉基米爾·迪亞科諾夫說。