Het defect, ontdekt door onderzoekers van de universiteiten van Manchester en Cambridge met behulp van een dun materiaal genaamd hexagonaal boornitride (hBN), demonstreert spincoherentie – een eigenschap waarbij een elektronische spin kwantuminformatie kan vasthouden – onder omgevingsomstandigheden. Ze ontdekten ook dat deze spins met licht kunnen worden bestuurd.

Tot nu toe zijn slechts enkele vastestofmaterialen daartoe in staat geweest, wat een belangrijke stap voorwaarts betekent in de kwantumtechnologie.

De bevindingen, gepubliceerd in Nature Materials , bevestigen verder dat de toegankelijke spincoherentie bij kamertemperatuur langer is dan de onderzoekers aanvankelijk dachten.

Carmem M. Gilardoni, co-auteur van het artikel en postdoctoraal onderzoeker aan het Cavendish Laboratory van de Universiteit van Cambridge, waar het onderzoek werd uitgevoerd, zei:“De resultaten laten zien dat zodra we een bepaalde kwantumtoestand op de spin hiervan schrijven elektronen wordt deze informatie gedurende ~1 miljoenste van een seconde opgeslagen, waardoor dit systeem een ​​veelbelovend platform is voor kwantumtoepassingen.

"Dit lijkt misschien kort, maar het interessante is dat dit systeem geen speciale omstandigheden vereist:het kan de spin-kwantumtoestand zelfs bij kamertemperatuur opslaan en zonder dat er grote magneten nodig zijn."

Hexagonaal boornitride (hBN) is een ultradun materiaal dat bestaat uit gestapelde lagen van één atoom dik, een beetje zoals vellen papier. Deze lagen worden bij elkaar gehouden door krachten tussen moleculen, maar soms zijn er kleine foutjes tussen deze lagen die 'atoomdefecten' worden genoemd, vergelijkbaar met een kristal waarin moleculen gevangen zitten. Deze defecten kunnen licht absorberen en uitzenden dat we kunnen zien, en ze kunnen ook fungeren als lokale valstrikken voor elektronen.

Vanwege de defecten in hBN kunnen wetenschappers nu bestuderen hoe deze gevangen elektronen zich gedragen, met name de spin-eigenschap, waardoor elektronen kunnen interageren met magnetische velden. Ze kunnen ook de elektronenspins controleren en manipuleren met behulp van licht binnen deze defecten bij kamertemperatuur – iets dat nog nooit eerder is gedaan.

Dr. Hannah Stern, eerste auteur van het artikel en Royal Society University Research Fellow en docent aan de Universiteit van Manchester, zei:“Het werken met dit systeem heeft ons de kracht van het fundamentele onderzoek naar nieuwe materialen benadrukt. Wat betreft het hBN-systeem , als veld kunnen we de dynamiek van aangeslagen toestanden benutten in andere nieuwe materiaalplatforms voor gebruik in toekomstige kwantumtechnologieën.

"Elk nieuw veelbelovend systeem zal de toolkit van beschikbare materialen verbreden, en elke nieuwe stap in deze richting zal de schaalbare implementatie van kwantumtechnologieën bevorderen."

Professor Richard Curry voegde hieraan toe:“Onderzoek naar materialen voor kwantumtechnologieën is van cruciaal belang om de Britse ambities op dit gebied te ondersteunen. Dit werk vertegenwoordigt opnieuw een toonaangevende doorbraak van een onderzoeker aan de Universiteit van Manchester op het gebied van materialen voor kwantumtechnologieën, waardoor de internationale impact van ons werk op dit gebied."

Hoewel er nog veel te onderzoeken valt voordat het volwassen genoeg is voor technologische toepassingen, maakt de vondst de weg vrij voor toekomstige technologische toepassingen, vooral op het gebied van sensortechnologie.

De wetenschappers zijn nog steeds bezig met het uitzoeken hoe ze deze defecten nog beter en betrouwbaarder kunnen maken en onderzoeken momenteel in hoeverre ze de spin-opslagtijd kunnen verlengen. Ook onderzoeken ze of ze de systeem- en materiaalparameters kunnen optimaliseren die van belang zijn voor kwantumtechnologische toepassingen, zoals de stabiliteit van defecten in de tijd en de kwaliteit van het licht dat dit defect uitstraalt.