Een team van internationale wetenschappers die onderzoeken hoe de spin van atoomachtige onzuiverheden in 2D-materialen kan worden gecontroleerd, heeft voor het eerst de afhankelijkheid van de energie van het atoom van een extern magnetisch veld waargenomen.

De resultaten van de studie, gepubliceerd in Natuurmaterialen , zal interessant zijn voor zowel academische als industriële onderzoeksgroepen die werken aan de ontwikkeling van toekomstige kwantumtoepassingen, zeggen de onderzoekers.

Wetenschappers van de University of Technology Sydney (UTS), de universiteit van Würzburg, de Kazan Federale Universiteit en de Universidade Federal de Minas Gerais, demonstreerde het vermogen om de spin van atoomachtige onzuiverheden in 2-D materiaal hexagonaal boornitride te beheersen. Door laser- en microgolfexcitatie te combineren, konden de onderzoekers de spintoestanden veranderen, bijvoorbeeld "omhoog" naar "omlaag", van atoomachtige onzuiverheden die zich in het materiaal bevinden en de afhankelijkheid van hun energie van een extern magnetisch veld laten zien.

Dit is de eerste keer dat het fenomeen is waargenomen in een materiaal dat is gemaakt van een enkele laag atomen zoals grafeen. De onderzoekers zeggen dat deze nieuw aangetoonde kwantum spin-optische eigenschappen, gecombineerd met het gemak van integratie met andere 2D-materialen en apparaten, stelt hexagonaal boornitride vast als een intrigerende kandidaat voor geavanceerde hardware voor kwantumtechnologie.

"2-D atomaire kristallen zijn momenteel enkele van de meest bestudeerde materialen in de fysica van de gecondenseerde materie en de materiaalwetenschap, " zegt UTS-fysicus Dr. Mehran Kianinia, een co-auteur van de studie.

"Hun fysica is intrigerend vanuit een fundamenteel oogpunt, maar verder, we kunnen denken aan het stapelen van verschillende 2D-kristallen om volledig nieuwe materialen te creëren, heterostructuren en apparaten met specifieke ontwerpeigenschappen, " hij zegt.

UTS-onderzoeker, Dr. Carlo Bradac, een senior co-auteur van de studie zegt dat naast het toevoegen van een andere unieke eigenschap, tot een al indrukwekkend scala aan eigenschappen voor een 2D-materiaal, de ontdekking heeft een enorm potentieel voor het gebied van kwantumdetectie.

"Wat me echt opwindt, is het potentieel [in de context van kwantumdetectie]. Deze spins zijn gevoelig voor hun directe omgeving. In tegenstelling tot 3D-vaste stoffen, waar het atoomachtige systeem tot enkele nanometers verwijderd kan zijn van het object om te voelen, hier bevindt de controleerbare spin zich direct aan de oppervlakte. Onze hoop is om deze individuele spins te gebruiken als kleine sensoren en kaart, met ongekende ruimtelijke resolutie, variaties in temperatuur, evenals magnetische en elektrische velden op variaties in spin", zegt Dr. Bradac.

"Stel je voor, bijvoorbeeld, minuscule magnetische velden kunnen meten met sensoren zo klein als enkele atomen. De mogelijkheden zijn verstrekkend en variëren van kernmagnetische resonantiespectroscopie voor medische diagnostiek op nanoschaal en materiaalchemie tot GPS-vrije navigatie met behulp van het aardmagnetisch veld, " hij zegt.

Maar op kwantum gebaseerde magnetometrie op nanoschaal is "slechts één gebied waar het beheersen van enkele spins in vaste stoffen nuttig is", zegt senior auteur van de studie UTS-professor Igor Aharonovitsj.

"Buiten kwantumdetectie, veel toepassingen voor kwantumcomputing en kwantumcommunicatie zijn afhankelijk van ons vermogen om de spin-state-nul, een en alles daartussenin - van enkele atoomachtige systemen in vaste gastheermaterialen. Hierdoor kunnen we coderen, informatie op te slaan en over te dragen in de vorm van kwantumbits of qubits, " hij zegt.