Forskare har upptäckt att en "enkel atomär defekt" i ett skiktat 2D-material kan hålla kvar kvantinformationen i mikrosekunder vid rumstemperatur, vilket understryker potentialen hos 2D-material i framskridande kvantteknologier.
Defekten, som hittats av forskare från universiteten i Manchester och Cambridge med hjälp av ett tunt material som kallas hexagonal bornitrid (hBN), visar spinkoherens - en egenskap där ett elektroniskt spinn kan behålla kvantinformation - under omgivande förhållanden. De fann också att dessa snurr kan styras med ljus.
Hittills har endast ett fåtal solid-state material kunnat göra detta, vilket markerar ett betydande steg framåt inom kvantteknik.
Resultaten, publicerade i Nature Materials , bekräfta vidare att den tillgängliga spinkoherensen vid rumstemperatur är längre än forskarna från början trodde att det kunde vara.
Carmem M. Gilardoni, medförfattare till uppsatsen och postdoktor vid Cavendish Laboratory vid University of Cambridge, där forskningen utfördes, sa:"Resultaten visar att när vi väl skriver ett visst kvanttillstånd på spinn av dessa elektroner, denna information lagras i ~1 miljondels sekund, vilket gör detta system till en mycket lovande plattform för kvanttillämpningar.
"Detta kan verka kort, men det intressanta är att det här systemet inte kräver speciella förhållanden - det kan lagra spinnkvanttillståndet även vid rumstemperatur och utan krav på stora magneter."
Hexagonal bornitrid (hBN) är ett ultratunt material som består av staplade enatomtjocka lager, ungefär som pappersark. Dessa lager hålls samman av krafter mellan molekyler, men ibland finns det små brister mellan dessa lager som kallas "atomära defekter", liknande en kristall med molekyler fångade inuti den. Dessa defekter kan absorbera och avge ljus som vi kan se, och de kan också fungera som lokala fällor för elektroner.
På grund av defekterna i hBN kan forskare nu studera hur dessa fångade elektroner beter sig, särskilt spin-egenskapen, som tillåter elektroner att interagera med magnetfält. De kan också kontrollera och manipulera elektronsnurrarna med hjälp av ljus i dessa defekter vid rumstemperatur – något som aldrig har gjorts tidigare.
Dr. Hannah Stern, första författare till tidningen och Royal Society University Research Fellow och föreläsare vid University of Manchester, sa:"Att arbeta med detta system har belyst kraften i den grundläggande undersökningen av nya material. När det gäller hBN-systemet. , som ett fält kan vi utnyttja upphetsad tillståndsdynamik i andra nya materialplattformar för användning i framtida kvantteknologier.
"Varje nytt lovande system kommer att bredda verktygslådan av tillgängliga material, och varje nytt steg i denna riktning kommer att främja den skalbara implementeringen av kvantteknologier."
Prof Richard Curry tillade, "Forskning av material för kvantteknologi är avgörande för att stödja Storbritanniens ambitioner på detta område. Detta arbete representerar ytterligare ett ledande genombrott från en forskare från University of Manchester inom området material för kvantteknologi, vilket ytterligare stärker den internationella påverkan av vårt arbete på detta område."
Även om det finns mycket att undersöka innan den är mogen nog för tekniska tillämpningar, banar upptäckten vägen för framtida tekniska tillämpningar, särskilt inom avkänningsteknik.
Forskarna håller fortfarande på att ta reda på hur de kan göra dessa defekter ännu bättre och mer tillförlitliga och undersöker för närvarande hur långt de kan förlänga spinnlagringstiden. De undersöker också om de kan optimera de system- och materialparametrar som är viktiga för kvantteknologiska tillämpningar, såsom defektstabilitet över tid och kvaliteten på ljuset som avges av denna defekt.
