Оптическая инициализация и когерентный контроль ядерных спинов в двумерных материалах
Используя фотоны и кубиты электронных спинов для управления ядерными спинами в двумерном материале, исследователи из Университета Пердью открыли новый рубеж в квантовой науке и технологии, позволив таким приложениям, как спектроскопия ядерного магнитного резонанса атомного масштаба, а также считывать и записывать квантовые данные информации с ядерными спинами в двумерных материалах. Как было опубликовано в понедельник (15 августа) в Nature Materials, исследовательская группа использовала кубиты электронного спина в качестве датчиков атомного масштаба, а также для осуществления первого экспериментального контроля кубитов ядерного спина в ультратонком гексагональном нитриде бора.
Исследователи использовали кубиты света и электронного спина для управления ядерным спином в двумерном материале, открыв новый рубеж в квантовой науке и технологиях. Кредит: Студия Secondbay
«Это первая работа, демонстрирующая оптическую инициализацию и когерентный контроль ядерных спинов в двумерных материалах», — сказал соответствующий автор Тонцан Ли, доцент Purdue по физике и астрономии, электротехнике и вычислительной технике, а также член Purdue Quantum Science and Engineering Institute.
«Теперь мы можем использовать свет для инициализации ядерных спинов, и с этим контролем мы можем записывать и считывать квантовую информацию с ядерными спинами в 2D-материалах. Этот метод может иметь множество различных применений в квантовой памяти, квантовом восприятии и квантовом моделировании».
Квантовая технология зависит от кубита, который является квантовой версией классического компьютерного бита. Он часто состоит из атома, субатомной частицы или фотона вместо кремниевого транзистора. В кубите с электронным или ядерным спином знакомое бинарное состояние «0» или «1» классического компьютерного бита представлено спином, свойством, которое в общих чертах аналогично магнитной полярности — это означает, что спин чувствителен к электромагнитному полю. Для выполнения любой задачи вращение должно быть в первую очередь контролируемым и последовательным, или прочным.
Затем спиновый кубит можно использовать в качестве датчика, исследуя, например, структуру белка или температуру мишени с наноразмерным разрешением. Электроны, захваченные дефектами трехмерных алмазных кристаллов, обеспечивают разрешение изображений и датчиков в диапазоне 10–100 нанометров.
Но кубиты, встроенные в однослойные или двумерные материалы, могут приблизиться к целевому образцу, предлагая еще более высокое разрешение и более сильный сигнал. Прокладывая путь к этой цели, в 2019 году был построен первый кубит с электронным спином в гексагональном нитриде бора, который может существовать в одном слое, путем удаления атома бора из решетки атомов и захвата электрона на его месте. Так называемые кубиты с электронным спином на основе борных вакансий также предлагали соблазнительный способ управления ядерным спином атомов азота, окружающих каждый кубит с электронным спином в решетке.
В этой работе Ли и его команда установили интерфейс между фотонами и ядерными спинами в ультратонких гексагональных нитридах бора.
Ядерные спины могут быть оптически инициализированы — установлены на известный спин — через окружающие электронные спиновые кубиты. После инициализации радиочастота может использоваться для изменения кубита с ядерным спином, по сути, для «записи» информации, или для измерения изменений в кубитах с ядерным спином, или для «чтения» информации. В их методе одновременно используются три ядра азота, а время когерентности более чем в 30 раз больше, чем у электронных кубитов при комнатной температуре. А 2D-материал можно накладывать непосредственно на другой материал, создавая встроенный датчик.
«Двумерная ядерная спиновая решетка подойдет для крупномасштабного квантового моделирования», — сказал Ли. «Он может работать при более высоких температурах, чем сверхпроводящие кубиты».
Чтобы управлять кубитом с ядерным спином, исследователи начали с удаления атома бора из решетки и замены его электроном. Электрон теперь находится в центре трех атомов азота. В этот момент каждое ядро азота находится в случайном спиновом состоянии, которое может быть -1, 0 или +1.
Затем электрон накачивается до нулевого спинового состояния с помощью лазерного излучения, что оказывает незначительное влияние на спин ядра азота.
Наконец, сверхтонкое взаимодействие между возбужденным электроном и тремя окружающими его ядрами азота приводит к изменению спина ядра. Когда цикл повторяется несколько раз, спин ядра достигает состояния +1, где он остается независимо от повторяющихся взаимодействий. Когда все три ядра находятся в состоянии +1, их можно использовать как тройку кубитов.
В Purdue к Ли присоединились Синью Гао, Сумух Вайдья, Пэн Джу, Боян Цзян, Чжуцзин Сюй, Андрес Э. Ллаксахуанга Аллка, Куньхонг Шен, Сунил А. Бхаве и Юн П. Чен, а также сотрудники Кеджун Ли и Юань. Пинг из Калифорнийского университета в Санта-Круз, а также Такаши Танигути и Кенджи Ватанабэ из Национального института материаловедения в Японии.
«Ядерная спиновая поляризация и контроль в гексагональном нитриде бора» опубликована в Nature Materials.
