Bornitrid är ett tekniskt intressant material eftersom det är mycket kompatibelt med andra tvådimensionella kristallina strukturer. Det öppnar därför vägar till artificiella heterostrukturer eller elektroniska enheter byggda på dem med fundamentalt nya egenskaper.

För ungefär ett år sedan, ett team från Institute of Physics vid Julius-Maximilians-Universität (JMU) Wuerzburg i Bayern, Tyskland, lyckades skapa spindefekter, även känd som qubits, i en skiktad kristall av bornitrid och identifiera dem experimentellt.

Nyligen, teamet ledd av professor Vladimir Dyakonov, hans Ph.D. student Andreas Gottscholl och gruppledare PD Dr Andreas Sperlich, lyckades ta ett viktigt nästa steg:den sammanhängande kontrollen av sådana spinnfel, och det även vid rumstemperatur. Forskarna rapporterar sina resultat i den effektfulla tidskriften Vetenskapens framsteg . Trots pandemin, arbetet har utförts i ett intensivt internationellt samarbete med grupper från University of Technology Sydney i Australien och Trent University i Kanada.

Mätning av lokala elektromagnetiska fält ännu mer exakt

"Vi förväntar oss att material med kontrollerbara spindefekter kommer att möjliggöra mer exakta mätningar av lokala elektromagnetiska fält när de väl används i en sensor", förklarar Vladimir Dyakonov, "och detta är för att de är, per definition, vid gränsen till omvärlden, som behöver kartläggas. Tänkbara användningsområden är bildbehandling inom medicin, navigering, överallt där kontaktlös mätning av elektromagnetiska fält är nödvändig, eller inom informationsteknik.

"Forskarsamhällets sökande efter det bästa materialet för detta är ännu inte avslutat, men det finns flera potentiella kandidater, ", tillägger Andreas Sperlich. "Vi tror att vi hittat en ny kandidat som sticker ut på grund av sin platta geometri, som erbjuder de bästa integrationsmöjligheterna inom elektronik."

Gränserna för spinkoherenstider övervinns knepigt

Alla spinnkänsliga experiment med bornitriden utfördes vid JMU. "Vi kunde mäta de karakteristiska spinkoherenstiderna, bestämma deras gränser och till och med knepigt övervinna dessa gränser, säger en förtjust Andreas Gottscholl, Ph.D. student och första författare till publikationen. Kunskap om spinkoherenstider är nödvändig för att uppskatta potentialen för spinndefekter för kvanttillämpningar, och långa koherenstider är mycket önskvärda eftersom man så småningom vill utföra komplexa manipulationer.

Gottscholl förklarar principen i förenklade termer:"Föreställ dig ett gyroskop som roterar runt sin axel. Vi har lyckats bevisa att sådana minigyroskop finns i ett lager av bornitrid. Och nu har vi visat hur man styr gyroskopet, dvs. till exempel, att avleda den i valfri vinkel utan att ens röra den, och över allt, att kontrollera detta tillstånd."

Koherenstiden reagerar känsligt på närliggande atomlager

Den kontaktlösa manipulationen av "gyroskopet" (spintillståndet) uppnåddes genom det pulserade högfrekventa elektromagnetiska fältet, resonansmikrovågorna. JMU-forskarna kunde också avgöra hur länge "gyroskopet" behåller sin nya orientering. Strängt talat, avböjningsvinkeln ska här ses som en förenklad illustration av det faktum att en qubit kan anta många olika tillstånd, inte bara 0 och 1 gillar lite.

Vad har detta med sensorteknik att göra? Den direkta atommiljön i en kristall påverkar det manipulerade spinntillståndet och kan avsevärt förkorta dess koherenstid. "Vi kunde visa hur extremt känslig koherensen reagerar på avståndet till närmaste atomer och atomkärnor, till magnetiska föroreningar, till temperatur och magnetiska fält - så att qubitens miljö kan härledas från mätningen av koherenstiden, " förklarar Andreas Sperlich.

Mål:Elektroniska enheter med spinndekorerade bornitridskikt

JMU-teamets nästa mål är att realisera en artificiellt staplad tvådimensionell kristall gjord av olika material, inklusive en spinnbärande komponent. De väsentliga byggstenarna för de senare är atomärt tunna bornitridskikt som innehåller optiskt aktiva defekter med ett tillgängligt spinntillstånd.

"Det skulle vara särskilt tilltalande att kontrollera spindefekterna och deras omgivning i 2-D-enheterna, inte bara optiskt, men via den elektriska strömmen. Detta är ett helt nytt territorium, säger Vladimir Dyakonov.