Boornitride is een technologisch interessant materiaal omdat het zeer compatibel is met andere tweedimensionale kristallijne structuren. Het opent daarom wegen naar kunstmatige heterostructuren of elektronische apparaten die erop zijn gebouwd met fundamenteel nieuwe eigenschappen.

Ongeveer een jaar geleden, een team van het Institute of Physics aan de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Wuerzburg in Beieren, Duitsland, erin geslaagd spindefecten te creëren, ook wel qubits genoemd, in een gelaagd kristal van boornitride en ze experimenteel te identificeren.

Onlangs, het team onder leiding van professor Vladimir Dyakonov, zijn doctoraat student Andreas Gottscholl en groepsleider PD Dr. Andreas Sperlich, geslaagd om een ​​belangrijke volgende stap te zetten:de coherente beheersing van dergelijke spindefecten, en dat zelfs bij kamertemperatuur. De onderzoekers rapporteren hun bevindingen in het impactvolle tijdschrift wetenschappelijke vooruitgang . Ondanks de pandemie, het werk is uitgevoerd in een intensieve internationale samenwerking met groepen van de University of Technology Sydney in Australië en Trent University in Canada.

Lokale elektromagnetische velden nog nauwkeuriger meten

"We verwachten dat materialen met controleerbare spindefecten nauwkeurigere metingen van lokale elektromagnetische velden mogelijk zullen maken zodra ze in een sensor worden gebruikt", legt Vladimir Djakonov uit, "en dit is omdat ze zijn, per definitie, aan de grens met de omringende wereld, die in kaart moet worden gebracht. Denkbare toepassingsgebieden zijn beeldvorming in de geneeskunde, navigatie, overal waar contactloos meten van elektromagnetische velden nodig is, of in de informatietechnologie.

"De zoektocht van de onderzoeksgemeenschap naar het beste materiaal hiervoor is nog niet voltooid, maar er zijn verschillende potentiële kandidaten, " voegt Andreas Sperlich toe. "We denken dat we een nieuwe kandidaat hebben gevonden die opvalt door zijn platte geometrie, die de beste integratiemogelijkheden in de elektronica biedt."

Grenzen van spincoherentietijden worden moeilijk overwonnen

Alle spingevoelige experimenten met het boornitride werden uitgevoerd bij JMU. "We waren in staat om de karakteristieke spincoherentietijden te meten, hun limieten bepalen en zelfs lastig deze limieten overwinnen, " zegt een opgetogen Andreas Gottscholl, doctoraat student en eerste auteur van de publicatie. Kennis van spincoherentietijden is nodig om het potentieel van spindefecten voor kwantumtoepassingen in te schatten, en lange coherentietijden zijn zeer wenselijk aangezien men uiteindelijk complexe manipulaties wil uitvoeren.

Gottscholl legt het principe in vereenvoudigde bewoordingen uit:"Stel je een gyroscoop voor die om zijn as draait. We zijn erin geslaagd te bewijzen dat dergelijke mini-gyroscopen bestaan ​​in een laag boornitride. En nu hebben we laten zien hoe je de gyroscoop bestuurt, d.w.z., bijvoorbeeld, om het onder welke hoek dan ook af te buigen zonder het zelfs maar aan te raken, en bovenal, om deze staat te beheersen."

Coherentietijd reageert gevoelig op aangrenzende atoomlagen

De contactloze manipulatie van de "gyroscoop" (de spin-toestand) werd bereikt door het gepulseerde hoogfrequente elektromagnetische veld, de resonerende microgolven. De JMU-onderzoekers konden ook bepalen hoe lang de "gyroscoop" zijn nieuwe oriëntatie behoudt. Strikt gesproken, de afbuighoek moet hier worden gezien als een vereenvoudigde illustratie van het feit dat een qubit veel verschillende toestanden kan aannemen, niet alleen 0 en 1 zoals een beetje.

Wat heeft dit met sensortechnologie te maken? De directe atomaire omgeving in een kristal beïnvloedt de gemanipuleerde spintoestand en kan de coherentietijd aanzienlijk verkorten. "We hebben kunnen laten zien hoe extreem gevoelig de coherentie reageert op de afstand tot de dichtstbijzijnde atomen en atoomkernen, aan magnetische onzuiverheden, temperatuur en magnetische velden - zodat de omgeving van de qubit kan worden afgeleid uit de meting van de coherentietijd, " legt Andreas Sperlich uit.

Doel:Elektronische apparaten met door spin versierde boornitride-lagen

Het volgende doel van het JMU-team is het realiseren van een kunstmatig gestapeld tweedimensionaal kristal gemaakt van verschillende materialen, inclusief een spindragend onderdeel. De essentiële bouwstenen voor dit laatste zijn atomair dunne boornitridelagen met optisch actieve defecten met een toegankelijke spintoestand.

"Het zou bijzonder aantrekkelijk zijn om de spindefecten en hun omgeving in de 2D-apparaten niet alleen optisch te beheersen, maar via de elektrische stroom. Dit is volledig nieuw terrein, " zegt Vladimir Djakonov.