Ett team av internationella forskare som undersöker hur man kontrollerar spinn av atomliknande föroreningar i 2D-material har för första gången observerat beroendet av atomens energi på ett externt magnetfält.

Resultaten av studien, publicerad i Naturmaterial , kommer att vara av intresse för både akademiska och industriella forskningsgrupper som arbetar med utvecklingen av framtida kvanttillämpningar, säger forskarna.

Forskare från University of Technology Sydney (UTS), universitetet i Würzburg, Kazan Federal University och Universidade Federal de Minas Gerais, demonstrerade förmågan att kontrollera spinn av atomliknande föroreningar i 2-D material hexagonal bornitrid. Genom att kombinera laser- och mikrovågsexcitation kunde forskarna ändra spinntillstånden, till exempel "upp" till "ner", av atomliknande föroreningar som finns i materialet och visar deras energi beroende av ett externt magnetfält.

Detta är första gången som fenomenet har observerats i ett material som är gjort av ett enda ark av atomer som grafen. Forskarna säger att dessa nyligen demonstrerade kvantspinnoptiska egenskaper, kombinerat med enkelheten att integrera med andra 2D-material och enheter, etablerar hexagonal bornitrid som en spännande kandidat för avancerad kvantteknologisk hårdvara.

"2-D atomära kristaller är för närvarande några av de mest studerade materialen inom den kondenserade materiens fysik och materialvetenskap, " säger UTS fysiker Dr Mehran Kianinia, en medförfattare till studien.

"Deras fysik är spännande ur en grundläggande synvinkel, men utöver det, vi kan tänka oss att stapla olika 2D-kristaller för att skapa helt nya material, heterostrukturer och enheter med specifika designeregenskaper, " han säger.

UTS-forskare, Dr Carlo Bradac, en senior medförfattare till studien säger att förutom att lägga till ytterligare en unik egenskap, till ett redan imponerande utbud av egenskaper för ett 2D-material, upptäckten har en enorm potential för området kvantavkänning.

"Det som verkligen upphetsar mig är potentialen [i samband med kvantavkänning]. Dessa snurr är känsliga för sin omedelbara omgivning. Till skillnad från 3D-fasta ämnen, där det atomliknande systemet kan vara så långt som några nanometer från objektet för att avkänna, här är det kontrollerbara snurret precis vid ytan. Vår förhoppning är att använda dessa individuella snurr som små sensorer och kartor, med oöverträffad rumslig upplösning, variationer i temperatur, såväl som magnetiska och elektriska fält på variationer i spinn", säger Dr Bradac.

"Tänka, till exempel, att kunna mäta små magnetiska fält med sensorer så små som enstaka atomer. Möjligheterna är långtgående och sträcker sig från kärnmagnetisk resonansspektroskopi för medicinsk diagnostik och materialkemi i nanoskala till GPS-fri navigering med hjälp av jordens magnetfält, " han säger.

Men kvantbaserad nanoskalamagnetometri är "bara ett område där det är användbart att kontrollera enstaka snurr i fasta ämnen", säger seniorförfattaren till studien UTS professor Igor Aharonovich.

"Bortom kvantavkänning, många applikationer för kvantberäkning och kvantkommunikation förlitar sig på vår förmåga att kontrollera spin-tillståndet - noll, en och allt däremellan — av enstaka atomliknande system i fasta värdmaterial. Detta tillåter oss att koda, lagra och överföra information i form av kvantbitar eller kvantbitar, " han säger.