Масштабирование спиновой когерентности при динамической развязке. 
a — Измерения динамической развязки с N _π импульсами рефокусировки, где каждое измерение соответствует exp[−( t / T _DD ) ^α ]. 
b — Время спиновой когерентности T _DD (фиолетовые треугольники) в зависимости от количества импульсов перефокусировки N _π .
Фото: Природные материалы (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01887-z

Ученые обнаружили, что «одиночный атомный дефект» в слоистом 2D-материале может удерживать квантовую информацию в течение микросекунд при комнатной температуре, что подчеркивает потенциал 2D-материалов в развитии квантовых технологий.

Дефект, обнаруженный исследователями из университетов Манчестера и Кембриджа с использованием тонкого материала под названием гексагональный нитрид бора (hBN), демонстрирует спиновую когерентность — свойство, при котором электронный спин может сохранять квантовую информацию — в условиях окружающей среды. Они также обнаружили, что этими вращениями можно управлять с помощью света.

До сих пор лишь немногим твердотельным материалам удавалось это сделать, что означало значительный шаг вперед в квантовых технологиях.

Результаты, опубликованные в журнале Nature Materials, еще раз подтверждают, что доступная спиновая когерентность при комнатной температуре дольше, чем первоначально предполагали исследователи.

Кармем М. Джилардони, соавтор статьи и научный сотрудник Кавендишской лаборатории Кембриджского университета, где проводилось исследование, сказал: «Результаты показывают, что как только мы напишем определенное квантовое состояние на спин этих электронах, эта информация сохраняется в течение примерно 1 миллионной доли секунды, что делает эту систему очень многообещающей платформой для квантовых приложений.

«Это может показаться коротким, но интересно то, что эта система не требует особых условий — она может сохранять спиновое квантовое состояние даже при комнатной температуре и без необходимости использования больших магнитов».

Гексагональный нитрид бора (hBN) — это ультратонкий материал, состоящий из сложенных друг на друга слоев толщиной в один атом, напоминающих листы бумаги. Эти слои удерживаются вместе силами между молекулами, но иногда между этими слоями возникают крошечные дефекты, называемые «атомными дефектами», подобные кристаллу, внутри которого заперты молекулы. Эти дефекты могут поглощать и излучать видимый нами свет, а также действовать как локальные ловушки для электронов.

Из-за дефектов hBN ученые теперь могут изучать, как ведут себя эти захваченные электроны, в частности, свойство спина, которое позволяет электронам взаимодействовать с магнитными полями. Они также могут контролировать и манипулировать спинами электронов, используя свет внутри этих дефектов при комнатной температуре — то, чего раньше никогда не делалось.

Доктор Ханна Стерн, первый автор статьи, научный сотрудник Королевского общества и преподаватель Манчестерского университета, сказала: «Работа с этой системой продемонстрировала нам силу фундаментального исследования новых материалов. Что касается системы hBN В качестве области мы можем использовать динамику возбужденных состояний в других новых материальных платформах для использования в будущих квантовых технологиях.

«Каждая новая многообещающая система будет расширять набор доступных материалов, и каждый новый шаг в этом направлении будет способствовать масштабируемому внедрению квантовых технологий».

Профессор Ричард Карри добавил: «Исследование материалов для квантовых технологий имеет решающее значение для поддержки амбиций Великобритании в этой области. Эта работа представляет собой еще один крупный прорыв исследователя Манчестерского университета в области материалов для квантовых технологий, что еще больше усиливает международное влияние наша работа в этой области».

Хотя еще многое предстоит изучить, прежде чем оно станет достаточно зрелым для технологических приложений, это открытие прокладывает путь для будущих технологических приложений, особенно в сенсорных технологиях.

Ученые все еще пытаются выяснить, как сделать эти дефекты еще лучше и надежнее, и в настоящее время исследуют, насколько они могут продлить время хранения вращения. Они также исследуют, смогут ли они оптимизировать параметры системы и материала, важные для квантово-технологических приложений, такие как стабильность дефекта во времени и качество света, излучаемого этим дефектом.