Kvantummemóriák alapjait teremtheti meg egy atomi méretű rácshiba a kétdimenziós bór-nitridben
A kutatóknak először sikerült koherensen vezérelniük a bór-nitrid rácshibáihoz kapcsolódó nitrogénatommagokat. Az eredmények új távlatokat nyithatnak nagy érzékenységű kvantummemóriákkal rendelkező kvantumszenzorok fejlesztésében.
Az Advanced Functional Materials folyóiratban megjelent tanulmány vezető szerzői, Tibiássy Adalbert és Ivády Viktor, az ELTE TTK Fizikai és Csillagászati Intézet kutatói, nemzetközi kutatópartnereikkel közösen olyan eredményt értek el, amely új lehetőségeket nyithat a kvantumérzékelés és a kvantuminformatika területén. A kutatócsoportnak sikerült koherensen vezérelnie a méhsejt-rács szerkezetű bór-nitrid (hBN) rácshibáihoz kapcsolódó nitrogénatommagok spinállapotait, ami fontos lépést jelenthet a jövő nagy érzékenységű kvantumszenzorainak fejlesztésében.
A kvantumérzékelés területén jelenleg az egyik legelterjedtebb platform a gyémántban található nitrogén-vakancia centrum, amelynek a segítségével rendkívül érzékeny mérések végezhetők. Az utóbbi években azonban egyre nagyobb figyelem irányul a kétdimenziós anyagokra, köztük a hBN -re, amely különleges tulajdonságainak köszönhetően új lehetőségeket kínál a nanoszkopikus méretű kvantumszenzorok fejlesztésében. Az anyagban található úgynevezett bórvakancia-centrumok olyan atomi méretű hibák, amelyek kvantumos tulajdonságokkal rendelkező spineket hordoznak és kvantumbitként alkalmazhatók.
A kutatók izotópdúsított bór-nitrid-kristályokban vizsgálták a bórvakancia-centrumok közvetlen szomszédságában lévő nitrogénatommagokat. Kísérleteikkel sikerült az atommagspinek egyes kvantumállapotait szelektíven megszólítani és irányítani, valamint megvalósították azok koherens vezérlését is. A méréseket fejlett elektron-mag kettős mágneses rezonancia módszerekkel egészítették ki, amelyeket részletes elméleti számítások és szimulációk támasztottak alá.
Az eredmények egyik legfontosabb felismerése, hogy az elektronspinek és a nitrogénatom magspinek közötti erős csatolás jelentősen felerősíti a magspinek mágneses térrel való kölcsönhatását. Ennek köszönhetően az atommagok a vártnál jóval gyorsabban vezérelhetők, miközben az elektron spinhez képest hosszabb ideig őrzik meg kvantumállapotukat. A kutatók több mint tíz mikrosekundumos koherenciaidőt mértek, amely közel két nagyságrenddel hosszabb, mint a rendszer elektronspinjeinek koherenciaideje.
A vizsgálat azt is megmutatta, hogy a korábban főként zavaró körülményként kezelt atommagspinek valójában hasznos kvantumos erőforrást jelenthetnek. A hosszú élettartamú magspin-állapotok alkalmasak lehetnek kvantummemóriák megvalósítására, emellett hozzájárulhatnak a kvantumszenzorok érzékenységének növeléséhez is.
A kétdimenziós bór-nitrid további előnye, hogy akár néhány atomréteg vastagságú formában is megőrzi kedvező tulajdonságait. Ez lehetővé teszi, hogy a kvantumszenzorokat közvetlenül más anyagok, biológiai rendszerek vagy nanoméretű mágneses struktúrák közelében alkalmazzák. A kutatók szerint a mostani eredmények megalapozhatják a következő generációs, nagy érzékenységű kvantumérzékelők és integrált kvantumeszközök fejlesztését.
A tanulmány „Coherent Control of Nitrogen Nuclear Spins via the V⁻B-Center in Hexagonal Boron Nitride” címmel jelent meg az Advanced Functional Materials folyóiratban.
Forrás: Eötvös Loránd Tudományegyetem, továbbította a Helló Sajtó! Üzleti Sajtószolgálat.
