国际研究小组利用自旋缺陷创造量子传感器新型材料

一个国际研究小组在改进量子传感器技术的材料方面取得了进展。医学、导航和信息技术在未来可以从中受益。氮化硼是一种技术上有趣的材料，因为它与其他二维晶体结构非常兼容。因此，它为人工异质结构或建立在其上的具有新特性的电子设备开辟了道路。

大约一年前，来自德国巴伐利亚州维尔茨堡Julius-Maximilians-Universität(JMU)物理研究所的一个团队成功地在氮化硼的层状晶体中创造了自旋缺陷，也被称为量子比特，并通过实验对它们进行了鉴定。

最近，由弗拉基米尔·迪亚科诺夫教授领导的团队、他的博士生安德烈亚斯·戈特肖尔和小组负责人安德烈亚斯·斯佩利希博士成功地迈出了重要的下一步：对这种自旋缺陷进行相干控制，而且甚至是在室温下。研究人员在具有影响力的《科学进展》杂志上报告了他们的发现。尽管发生了大流行病，但这项工作是在与澳大利亚悉尼科技大学和加拿大特伦特大学的团体进行的密集国际合作中进行的。

JMU的研究人员计划实现这样一种堆叠结构。它由金属石墨烯(底部)、绝缘的氮化硼(中间)和半导体的二硫化钼(顶部)组成。红点象征着氮化硼层中的一个单一自旋缺陷。该缺陷可以作为堆栈中的一个局部探针。

更加精确地测量局部电磁场

研究人员表示："我们预计，具有可控自旋缺陷的材料一旦被用于传感器，将可以更精确地测量局部电磁场。"这是因为根据定义，它们处于与周围世界的边界需要被映射。可以想象的应用领域包括医学成像、导航、任何需要对电磁场进行非接触式测量的地方，或者信息技术领域。

安德烈亚斯·斯佩里希补充说："研究界在寻找这方面的最佳材料的工作还没有完成，但有几个潜在的候选材料。"我们相信，我们找到了一个新的候选材料，它因其平坦的几何形状而脱颖而出，在电子领域提供了最佳的集成可能性。"

巧妙地克服自旋相干时间的限制

所有关于氮化硼的自旋敏感实验都是在JMU进行的。"我们能够测量特征自旋相干时间，确定其极限，甚至巧妙地克服这些极限，"博士生和该出版物的第一作者Andreas Gottscholl说。自旋相干时间的知识对于估计自旋缺陷在量子应用中的潜力是必要的，而长的相干时间是非常可取的，因为人们会想要·可以进行更复杂的操作。

Gottscholl用简化的术语解释了这个原理。"想象一下一个绕轴旋转的陀螺仪。我们已经成功地证明了在氮化硼层中存在这样的微型陀螺仪。而现在我们已经证明了如何控制陀螺仪，也就是说，例如，在不接触它的情况下，使其偏转任何角度，最重要的是控制这种状态"。

相干时间对相邻的原子层反应敏感

对 "陀螺仪"(自旋状态)的无接触操纵是通过脉冲高频电磁场--谐振微波实现的。JMU的研究人员还能够确定 "陀螺仪"保持其方向的时间。严格来说，偏转角度在这里应该被看作是一个简化的说明，即一个量子比特可以承担许多不同的状态，而不是像比特那样只有0和1。

这与传感器技术有什么关系?晶体中的直接原子环境影响着被操纵的自旋状态，并能大大缩短其相干时间。"我们能够证明相干性对与最近的原子和原子核的距离、磁性杂质、温度和磁场的反应是多么的极其敏感--因此可以从相干性时间的测量中推断出量子比特的环境，"Andreas Sperlich解释说。

目标：带有自旋装饰的氮化硼层的电子装置

JMU团队的下一个目标是实现一个由不同材料组成的人工堆叠的二维晶体，包括一个自旋成分。后者的基本构件是原子薄的氮化硼层，包含具有可访问自旋状态的光学活性缺陷。

在二维设备中不仅通过光学，而且通过电流来控制自旋缺陷及其周围环境将是特别有吸引力的。这是一个全新的领域。