Genom att använda fotoner och elektronspin-qubits för att kontrollera kärnsnurr i ett tvådimensionellt material har forskare vid Purdue University öppnat en ny gräns inom kvantvetenskap och teknik, vilket möjliggör tillämpningar som kärnmagnetisk resonansspektroskopi i atomskala och att läsa och skriva kvant information med kärnspinn i 2D-material.

Som publicerad måndag (15 augusti) i Nature Materials , använde forskargruppen elektronspin-qubits som sensorer i atomskala, och även för att utföra den första experimentella kontrollen av nukleära spin-qubits i ultratunn hexagonal bornitrid.

"Detta är det första verket som visar optisk initiering och koherent kontroll av kärnspinn i 2D-material", säger motsvarande författare Tongcang Li, en Purdue docent i fysik och astronomi samt el- och datorteknik, och medlem av Purdue Quantum Science and Engineering Institute .

"Nu kan vi använda ljus för att initiera kärnspinn och med den kontrollen kan vi skriva och läsa kvantinformation med kärnspinn i 2D-material. Den här metoden kan ha många olika tillämpningar inom kvantminne, kvantavkänning och kvantsimulering."

Kvantteknik beror på qubit, som är kvantversionen av en klassisk datorbit. Den är ofta byggd med en atom, subatomär partikel eller foton istället för en kiseltransistor. I en elektron- eller kärnspinn-qubit representeras det välbekanta binära "0"- eller "1"-tillståndet för en klassisk datorbit av spin, en egenskap som är löst analog med magnetisk polaritet - vilket betyder att spinnet är känsligt för ett elektromagnetiskt fält. För att utföra någon uppgift måste snurran först vara kontrollerad och sammanhängande, eller hållbar.

Spin-qubiten kan sedan användas som en sensor, som sonderar till exempel strukturen hos ett protein eller temperaturen på ett mål med upplösning i nanoskala. Elektroner fångade i defekterna i 3D-diamantkristaller har producerat bild- och avkänningsupplösning i intervallet 10–100 nanometer.

Men qubits inbäddade i enskikts- eller 2D-material kan komma närmare ett målprov och erbjuda ännu högre upplösning och starkare signal. Banade vägen till det målet, den första elektronspin-qubiten i hexagonal bornitrid, som kan existera i ett enda lager, byggdes 2019 genom att ta bort en boratom från atomernas gitter och fånga en elektron i dess ställe. Så kallade bor vakans elektronspin qubits erbjöd också en lockande väg för att kontrollera kärnspinnet hos kväveatomerna som omger varje elektronspin qubit i gittret.

I detta arbete etablerade Li och hans team ett gränssnitt mellan fotoner och kärnspinn i ultratunna hexagonala bornitrider.

Kärnspinnen kan initieras optiskt – inställd på ett känt spin – via de omgivande elektronspinkvbitarna. När den väl har initierats kan en radiofrekvens användas för att ändra kärnspinn-qubit, i huvudsak "skriva" information, eller för att mäta förändringar i kärnspinn-qubits, eller "läsa" information. Deras metod utnyttjar tre kvävekärnor åt gången, med mer än 30 gånger längre koherenstider än elektronkvbitar vid rumstemperatur. Och 2D-materialet kan läggas direkt på ett annat material, vilket skapar en inbyggd sensor.

"Ett 2D kärnspinngitter kommer att vara lämpligt för storskalig kvantsimulering," sa Li. "Det kan fungera vid högre temperaturer än supraledande qubits."

För att kontrollera en kärnspinn-qubit började forskarna med att ta bort en boratom från gittret och ersätta den med en elektron. Elektronen sitter nu i mitten av tre kväveatomer. Vid denna tidpunkt är varje kvävekärna i ett slumpmässigt spinntillstånd, vilket kan vara -1, 0 eller +1.

Därefter pumpas elektronen till ett spin-tillstånd på 0 med laserljus, vilket har en försumbar effekt på kvävekärnans spinn.

Slutligen tvingar en hyperfin interaktion mellan den exciterade elektronen och de tre omgivande kvävekärnorna fram en förändring i kärnans spinn. När cykeln upprepas flera gånger når kärnans spinn tillståndet +1, där det förblir oavsett upprepade interaktioner. Med alla tre kärnorna inställda på +1-tillståndet kan de användas som en trio av qubits.

På Purdue fick Li sällskap av Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Peng Ju, Boyang Jiang, Zhujing Xu, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Sunil A. Bhave och Yong P. Chen, samt samarbetspartnerna Kejun Li och Yuan Ping vid University of California, Santa Cruz, och Takashi Taniguchi och Kenji Watanabe vid National Institute for Materials Science i Japan.

"Nuclear spin polarization and control in hexagonal bornitrid" publiceras i Nature Materials . + Utforska vidare

Ny metod för att kontrollera qubits skulle kunna utveckla kvantdatorer