I diamanter (och andra halvledande material) är defekter en kvantsensors bästa vän. Det beror på att defekter, i huvudsak ett förskjutet arrangemang av atomer, ibland innehåller elektroner med ett vinkelmoment, eller spin, som kan lagra och bearbeta information. Denna "snurrfrihetsgrad" kan utnyttjas för en rad olika ändamål, som att känna av magnetfält eller skapa ett kvantnätverk.

Forskare under ledning av Greg Fuchs, Ph.D. '07, professor i tillämpad och teknisk fysik vid Cornell Engineering, sökte efter en sådan spin i den populära halvledaren galliumnitrid och fann det, överraskande nog, i två distinkta arter av defekter, varav en kan manipuleras för framtida kvanttillämpningar.

Gruppens artikel, "Room Temperature Optically Detected Magnetic Resonance of Single Spins in GaN", publicerades i Nature Materials . Huvudförfattare är doktoranden Jialun Luo.

Defekter är det som ger ädelstenar deras färg, och av denna anledning är de också kända som färgcentra. Rosa diamanter, till exempel, får sin nyans från defekter som kallas kväve-vakanscenter. Det finns dock många färgcentra som ännu inte har identifierats, även i material som är vanligt förekommande.

"Galliumnitrid är, till skillnad från diamant, en mogen halvledare. Den har utvecklats för högfrekvent elektronik med breda bandgap, och det har varit en mycket intensiv ansträngning under många, många år," sa Fuchs. "Du kan gå och köpa en oblat av det, det är förmodligen i din datorladdare eller elbil. Men när det gäller ett material för kvantdefekter har det inte utforskats särskilt mycket."

För att söka efter spinngraden av frihet i galliumnitrid, slog Fuchs och Luo sig ihop med Farhan Rana, Joseph P. Ripley professor i teknik och doktoranden Yifei Geng, som de tidigare hade utforskat materialet med.

Gruppen använde konfokalmikroskopi för att identifiera defekterna via fluorescerande sonder och genomförde sedan en mängd experiment, som att mäta hur en defekts fluorescenshastighet förändras som en funktion av magnetfältet och använda ett litet magnetfält för att driva defektens spinresonansöverföringar, allt i rumstemperatur.

"I början visade de preliminära data tecken på intressanta spinnstrukturer, men vi kunde inte driva spinresonansen," sa Luo. "Det visar sig att vi behövde känna till de defekta symmetriaxlarna och applicera ett magnetfält i rätt riktning för att undersöka resonanserna; resultaten gav oss fler frågor som väntade på att bli utarbetade."

Experimenten visade att materialet hade två typer av defekter med distinkta spinnspektra. I den ena kopplades spinnet till ett metastabilt exciterat tillstånd; i den andra var den kopplad till grundtillståndet.

I det senare fallet kunde forskarna se fluorescensförändringar på upp till 30 % när de drev spinövergången – en stor förändring i kontrast och relativt sällsynt för ett kvantspin i rumstemperatur.

"Vanligtvis är fluorescensen och spinn sammankopplade väldigt svagt, så när du ändrar spinprojektionen kan fluorescensen förändras med 0,1% eller något väldigt, väldigt litet," sa Fuchs. "Ur teknisk synvinkel är det inte bra eftersom du vill ha en stor förändring så att du kan mäta den snabbt och effektivt."

Forskarna utförde sedan ett kvantkontrollexperiment. De fann att de kunde manipulera marktillståndsspinnet och att det hade kvantkoherens – en kvalitet som gör att kvantbitar, eller kvantbitar, kan behålla sin information.

"Det är något som är ganska spännande med den här observationen," sa Fuchs. "Det finns fortfarande mycket grundläggande arbete att göra, och det finns många fler frågor än det finns svar. Men den grundläggande upptäckten av spinn i detta färgcentrum, det faktum att det har en stark spinkontrast på upp till 30%, att det finns i ett moget halvledarmaterial – som öppnar upp alla möjliga intressanta möjligheter som vi nu är glada att utforska."

Mer information: Jialun Luo et al, Rumstemperatur detekterade optiskt magnetisk resonans av enstaka snurr i GaN, Naturmaterial (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01803-5

Tillhandahålls av Cornell University