In diamanten (en andere halfgeleidende materialen) zijn defecten de beste vriend van een kwantumsensor. Dat komt omdat defecten, in wezen een verdrongen rangschikking van atomen, soms elektronen bevatten met een impulsmoment, of spin, die informatie kunnen opslaan en verwerken. Deze "spin-vrijheidsgraad" kan voor een reeks doeleinden worden benut, zoals het waarnemen van magnetische velden of het maken van een kwantumnetwerk.

Onderzoekers onder leiding van Greg Fuchs, Ph.D. '07, hoogleraar toegepaste en technische natuurkunde aan Cornell Engineering, ging op zoek naar een dergelijke spin in de populaire halfgeleider galliumnitride en vond deze, verrassend genoeg, in twee verschillende soorten defecten, waarvan er één kan worden gemanipuleerd voor toekomstige kwantumtoepassingen.

Het artikel van de groep, "Room Temperature Optically Detected Magnetic Resonance of Single Spins in GaN", werd gepubliceerd in Nature Materials . De hoofdauteur is promovendus Jialun Luo.

Het zijn defecten die edelstenen hun kleur geven, en om deze reden worden ze ook wel kleurcentra genoemd. Roze diamanten krijgen bijvoorbeeld hun kleur door defecten die stikstofleegstandcentra worden genoemd. Er zijn echter nog veel kleurcentra die nog moeten worden geïdentificeerd, zelfs in veelgebruikte materialen.

"Galliumnitride is, in tegenstelling tot diamant, een volwassen halfgeleider. Het is ontwikkeld voor hoogfrequente elektronica met een grote bandbreedte, en dat is een zeer intensieve inspanning gedurende vele, vele jaren geweest", aldus Fuchs. "Je kunt er een stukje van gaan kopen; het zit waarschijnlijk in je computeroplader of in een elektrische auto. Maar wat betreft materiaal voor kwantumdefecten is er nog niet veel onderzoek naar gedaan."

Om te zoeken naar de mate van spinvrijheid in galliumnitride, werkten Fuchs en Luo samen met Farhan Rana, de Joseph P. Ripley Professor of Engineering, en promovendus Yifei Geng, met wie ze het materiaal eerder hadden onderzocht.

De groep gebruikte confocale microscopie om de defecten te identificeren via fluorescerende sondes en voerde vervolgens een groot aantal experimenten uit, zoals het meten van hoe de fluorescentiesnelheid van een defect verandert als functie van het magnetische veld en het gebruik van een klein magnetisch veld om de spinresonante transmissies van het defect aan te sturen. alles op kamertemperatuur.

"In het begin vertoonden de voorlopige gegevens tekenen van interessante spinstructuren, maar we konden de spinresonantie niet aandrijven", zei Luo. "Het bleek dat we de defecte symmetrie-assen moesten kennen en een magnetisch veld in de juiste richting moesten aanleggen om de resonanties te onderzoeken; de resultaten brachten ons meer vragen die wachtten om te worden uitgewerkt."

Uit de experimenten bleek dat het materiaal twee soorten defecten had met verschillende spinspectra. In één daarvan was de spin gekoppeld aan een metastabiele aangeslagen toestand; in de andere was het gekoppeld aan de grondtoestand.

In het laatste geval konden de onderzoekers fluorescentieveranderingen tot wel 30% zien toen ze de spinovergang aandreven – een grote verandering in contrast en relatief zeldzaam voor een kwantumspin bij kamertemperatuur.

"Gewoonlijk zijn de fluorescentie en spin heel zwak met elkaar verbonden, dus als je de spinprojectie verandert, kan de fluorescentie met 0,1% of iets heel, heel kleins veranderen", zei Fuchs. "Technisch gezien is dat niet geweldig, omdat je een grote verandering wilt, zodat je deze snel en efficiënt kunt meten."

Vervolgens voerden de onderzoekers een kwantumcontrole-experiment uit. Ze ontdekten dat ze de spin van de grondtoestand konden manipuleren en dat deze een kwantumcoherentie had – een kwaliteit waardoor kwantumbits, of qubits, hun informatie kunnen behouden.

"Dat is iets dat behoorlijk spannend is aan deze observatie", zei Fuchs. "Er is nog veel fundamenteel werk te doen, en er zijn veel meer vragen dan antwoorden. Maar de fundamentele ontdekking van spin in dit kleurencentrum, het feit dat het een sterk spincontrast heeft van wel 30%, dat het bestaat in een volwassen halfgeleidermateriaal – dat allerlei interessante mogelijkheden opent die we nu graag willen verkennen."

Meer informatie: Jialun Luo et al, Optisch gedetecteerde magnetische resonantie van enkele spins in GaN bij kamertemperatuur, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01803-5

Aangeboden door Cornell University