Достигнут согласованный контроль двумерных твердотельных спиновых дефектов материала
Группа под руководством профессора Го Гуангцаня при совместных усилиях Исследовательского центра физики им. Вигнера представила новый подход к обнаружению нового спинового дефекта с превосходной вероятностью 85% и добилась когерентного контроля сверхяркого одиночного спина в гексагональном нитриде бора (hBN) при комнатной температуре. Исследование было опубликовано в Nature Communications.
Схема массивов hBN на СВЧ-волноводе из золотой пленки.
a Схема СВЧ-волновода из золотой пленки на кремниевой пластине, создающей однородное и стабильное локальное СВЧ-поле.
b Схема массивов hBN путем диспергирования суспензии hBN в отверстиях, сформированных с помощью электронно-лучевой литографии. Вставка: Схема атомной структуры hBN.
c Изображение сканирующего электронного микроскопа изолированной чешуйки hBN в одном отверстии матрицы до растворения резиста из ПММА.
Предоставлено: Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38672-6
Твердотельные спиновые дефекты имеют большое значение для квантовой информации, например центр азотных вакансий (NV) в алмазах, который широко применяется в квантовых вычислениях и квантовых сетях. Двумерный материал hBN считается замечательным носителем спиновых дефектов центров окраски. Спиновые дефекты в hBN привлекли большое внимание своими преимуществами в двумерных квантовых устройствах и интегрированных квантовых наноустройствах.
Среди обнаруженных спиновых дефектов в hBN наиболее преобладающим является дефект отрицательно заряженной вакансии бора (VB-). Исследователи из группы профессора Го в своих предыдущих исследованиях провели измерение температурной зависимости на основе дефекта VB и продемонстрировали когерентную динамику многоспинового VB- центра.
Им было трудно обнаружить один дефект VB из-за его низкой квантовой эффективности для оптического перехода. Несмотря на несколько сообщений об усиленной фотолюминесценции дефекта VB, наблюдение когерентного управления одиночным спином все еще остается проблемой.
В этом исследовании исследователям удалось выделить отдельные центры окраски в образцах порошка hBN с помощью капиллярной силы. Они обнаружили класс сверхъярких односпиновых центров окраски с отличной вероятностью 85%, что в 21 раз больше, чем у предыдущих методов.
Затем исследователи измерили его оптические свойства со значительными характеристиками антигруппировки и коэффициентом излучения фотонов до 25 МГц, что на сегодняшний день является самым высоким показателем флуоресценции односпиновых центров окраски, обнаруженных в hBN. Кроме того, они зафиксировали сигнал колебаний Раби и провели эксперименты с эхом Хана. Это был первый случай, когда односпиновый центр окраски в hBN манипулировали при комнатной температуре, что представляет собой новый этап в применении квантовой информации.
Кроме того, исследователи реализовали расчеты первых принципов, чтобы прояснить структуру этого дефекта центра окраски. Было обнаружено, что комплекс углерод-кислородных примесей может быть источником этого типа односпиновых дефектов центров окраски, а смоделированные оптически регистрируемые спектры магнитного резонанса (ODMR) модели CNCB3 согласуются с экспериментальными данными.
Когерентное управление сверхярким одиночным спином в hBN при комнатной температуре совершает скачок в квантовых областях, что дает возможность адресации спинов, которыми можно управлять оптически.
