Representación esquemática del control coherente de un defecto de espín (rojo) en una capa atómica de nitruro de boro. El nitruro de boro se compone de boro (esferas amarillas) y nitrógeno (esferas azules) y se encuentra en una línea de bandas. El defecto de espín es excitado por un láser y su estado se lee mediante fotoluminiscencia. El qubit puede manipularse tanto mediante pulsos de microondas (azul claro) de la línea de banda como también mediante un campo magnético. Crédito:Andreas Gottscholl / Universidad de Wuerzburg
El nitruro de boro es un material tecnológicamente interesante porque es muy compatible con otras estructuras cristalinas bidimensionales. Por lo tanto, abre caminos a heteroestructuras artificiales o dispositivos electrónicos construidos sobre ellos con propiedades fundamentalmente nuevas.
Hace un año, un equipo del Instituto de Física de Julius-Maximilians-Universität (JMU) Wuerzburg en Baviera, Alemania, logró crear defectos de espín, también conocido como qubits, en un cristal en capas de nitruro de boro e identificándolos experimentalmente.
Recientemente, el equipo dirigido por el profesor Vladimir Dyakonov, su Ph.D. el estudiante Andreas Gottscholl y el líder del grupo, el Dr. Andreas Sperlich, logró dar un paso siguiente importante:el control coherente de tales defectos de espín, y eso incluso a temperatura ambiente. Los investigadores informan sus hallazgos en la impactante revista Avances de la ciencia . A pesar de la pandemia, el trabajo se llevó a cabo en una intensa colaboración internacional con grupos de la Universidad de Tecnología de Sydney en Australia y la Universidad de Trent en Canadá.
Medición de campos electromagnéticos locales con mayor precisión
"Esperamos que los materiales con defectos de giro controlables permitan mediciones más precisas de los campos electromagnéticos locales una vez que se utilicen en un sensor", explica Vladimir Dyakonov, "y esto se debe a que son, por definición, en la frontera con el mundo circundante, que necesita ser mapeado. Las áreas de aplicación concebibles son las imágenes en medicina, navegación, en todos los lugares donde sea necesaria la medición sin contacto de campos electromagnéticos, o en tecnología de la información.
"La búsqueda por parte de la comunidad de investigadores del mejor material para esto aún no se ha completado, pero hay varios candidatos potenciales, "agrega Andreas Sperlich." Creemos que hemos encontrado un nuevo candidato que se destaca por su geometría plana, que ofrece las mejores posibilidades de integración en electrónica ".
Los límites de los tiempos de coherencia de giro se superan con dificultad
Los investigadores de JMU planean realizar tal estructura apilada. Consiste en grafeno metálico (abajo), nitruro de boro aislante (centro) y disulfuro de molibdeno semiconductor (arriba). El punto rojo simboliza el defecto de un solo espín en una de las capas de nitruro de boro. El defecto puede servir como una sonda local en la pila. Crédito:Andreas Gottscholl / Universidad de Wuerzburg
Todos los experimentos sensibles al giro con el nitruro de boro se llevaron a cabo en JMU. "Pudimos medir los tiempos de coherencia de espín característicos, determinar sus límites e incluso superarlos engañosamente, "dice un Andreas Gottscholl encantado, Doctor. estudiante y primer autor de la publicación. El conocimiento de los tiempos de coherencia de espín es necesario para estimar el potencial de defectos de espín para aplicaciones cuánticas. y los tiempos de coherencia prolongados son muy deseables, ya que eventualmente se desea realizar manipulaciones complejas.
Gottscholl explica el principio en términos simplificados:"Imagine un giroscopio que gira alrededor de su eje. Hemos logrado demostrar que esos mini giroscopios existen en una capa de nitruro de boro. Y ahora hemos mostrado cómo controlar el giroscopio, es decir., por ejemplo, para desviarlo en cualquier ángulo sin siquiera tocarlo, y sobre todo, para controlar este estado ".
El tiempo de coherencia reacciona sensiblemente a las capas atómicas vecinas.
La manipulación sin contacto del "giroscopio" (el estado de giro) se logró a través del campo electromagnético pulsado de alta frecuencia, las microondas resonantes. Los investigadores de la JMU también pudieron determinar cuánto tiempo el "giroscopio" mantiene su nueva orientación. Estrictamente hablando, el ángulo de deflexión debe verse aquí como una ilustración simplificada del hecho de que un qubit puede asumir muchos estados diferentes, no solo 0 y 1 como un poco.
¿Qué tiene esto que ver con la tecnología de sensores? El entorno atómico directo en un cristal influye en el estado de giro manipulado y puede acortar en gran medida su tiempo de coherencia. "Pudimos mostrar cuán extremadamente sensible reacciona la coherencia a la distancia a los átomos y núcleos atómicos más cercanos, a las impurezas magnéticas, a la temperatura y a los campos magnéticos, por lo que el entorno del qubit se puede deducir de la medición del tiempo de coherencia, "explica Andreas Sperlich.
Objetivo:dispositivos electrónicos con capas de nitruro de boro decoradas con centrifugado
El próximo objetivo del equipo de JMU es realizar un cristal bidimensional apilado artificialmente hecho de diferentes materiales, incluyendo un componente de cojinete de giro. Los bloques de construcción esenciales para este último son capas de nitruro de boro atómicamente delgadas que contienen defectos ópticamente activos con un estado de giro accesible.
"Sería particularmente atractivo controlar los defectos de giro y su entorno en los dispositivos 2-D no solo de forma óptica, sino a través de la corriente eléctrica. Este es un territorio completamente nuevo, "dice Vladimir Dyakonov.
