氮化硼原子層中自旋缺陷（紅色）的相干控制的示意圖。氮化硼由硼（黃色球）和氮（藍(lán)色球）組成，位于帶狀線上。自旋缺陷被激光激發(fā)，并通過(guò)光致發(fā)光讀出其狀態(tài)。量子位既可以通過(guò)帶狀線的微波脈沖（淺藍(lán)色）來(lái)控制，也可以通過(guò)磁場(chǎng)來(lái)控制。圖片來(lái)源：Andreas Gottscholl /維爾茨堡大學(xué)

氮化硼是一種技術(shù)上令人感興趣的材料，因?yàn)樗�與其他二維晶體結(jié)構(gòu)非常相容。因此，它為人造異質(zhì)結(jié)構(gòu)或在其上構(gòu)建具有根本新特性的電子設(shè)備開(kāi)辟了道路。

大約一年前，德國(guó)巴伐利亞州維爾茨堡的朱利葉斯·馬克西米利安斯大學(xué)（JMU）物理研究所的一個(gè)團(tuán)隊(duì)成功地在層狀氮化硼晶體中產(chǎn)生了自旋缺陷，也稱(chēng)為量子位，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了鑒定。

最近，由弗拉基米爾·迪亞科諾夫（Vladimir Dyakonov）教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組獲得了博士學(xué)位。學(xué)生Andreas Gottscholl和PD小組負(fù)責(zé)人Andreas Sperlich博士成功地邁出了重要的下一步：對(duì)此類(lèi)自旋缺陷的連貫控制，甚至在室溫下也是如此。研究人員在有影響力的《科學(xué)進(jìn)展》雜志上報(bào)告了他們的發(fā)現(xiàn)。盡管發(fā)生了大流行，但這項(xiàng)工作還是與澳大利亞悉尼科技大學(xué)和加拿大特倫特大學(xué)的團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了廣泛的國(guó)際合作進(jìn)行的。

更加精確地測(cè)量局部電磁場(chǎng)

弗拉基米爾·戴亞科諾夫（Vladimir Dyakonov）解釋說(shuō)：“我們期望具有可控自旋缺陷的材料一旦用于傳感器，將能夠更精確地測(cè)量局部電磁場(chǎng)，這是因?yàn)榘凑斩�義，它們位于周?chē)�世界的邊界，可能的�?yīng)用領(lǐng)域是醫(yī)學(xué)，導(dǎo)航，需要電磁場(chǎng)非接觸式測(cè)量的任何地方或信息技術(shù)中的成像。

Andreas Sperlich補(bǔ)充說(shuō)：“研究界尚未找到最合適的材料，但是有幾種潛在的候選方案。” “我們相信我們發(fā)現(xiàn)了一個(gè)因其扁平的幾何形狀而脫穎而出的新候選人，它具有電子學(xué)中最佳的集成可能性�！�

旋轉(zhuǎn)相干時(shí)間的限制可以輕松克服

JMU研究人員計(jì)劃實(shí)現(xiàn)這種堆疊結(jié)構(gòu)。它由金屬石墨烯（底部），絕緣氮化硼（中間）和半導(dǎo)體二硫化鉬（頂部）組成。紅點(diǎn)表示氮化硼層之一中的單自旋缺陷。缺陷可以用作堆棧中的本地探針。圖片來(lái)源：Andreas Gottscholl /維爾茨堡大學(xué)

使用氮化硼的所有自旋敏感實(shí)驗(yàn)均在JMU上進(jìn)行。“我們能夠測(cè)量自旋相干時(shí)間的特征，確定其極限，甚至可以克服這些極限，”高興的Andreas Gottscholl博士說(shuō)。學(xué)生和出版物的第一作者。自旋相干時(shí)間的知識(shí)對(duì)于估計(jì)量子應(yīng)用中自旋缺陷的潛力是必不可少的，并且長(zhǎng)相干時(shí)間非�？扇�，因?yàn)槿藗冏罱K想要執(zhí)行復(fù)雜的操作。

Gottscholl用簡(jiǎn)單的術(shù)語(yǔ)解釋了該原理：“想象一下陀螺儀繞其軸旋轉(zhuǎn)。我們已經(jīng)成功證明了這種微型陀螺儀存在于氮化硼層中。現(xiàn)在我們已經(jīng)展示了如何控制陀螺儀，例如，使它即使不觸摸也能偏轉(zhuǎn)任何角度，最重要的是控制這種狀態(tài)�！�

相干時(shí)間對(duì)相鄰原子層敏感地反應(yīng)

“陀螺儀”（自旋狀態(tài)）的非接觸式操縱是通過(guò)脈沖高頻電磁場(chǎng)，共振微波實(shí)現(xiàn)的。JMU研究人員還能夠確定“陀螺儀”保持新方位的時(shí)間。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，偏轉(zhuǎn)角在這里應(yīng)視為一個(gè)簡(jiǎn)化的圖示，說(shuō)明一個(gè)量子位可以呈現(xiàn)許多不同的狀態(tài)，而不僅僅是像0和1這樣的狀態(tài)。

這與傳感器技術(shù)有什么關(guān)系？晶體中的直接原子環(huán)境會(huì)影響受控的自旋狀態(tài)，并且可以大大縮短其相干時(shí)間。“我們能夠證明相干性對(duì)距離最近的原子和原子核，磁性雜質(zhì)，溫度和磁場(chǎng)的反應(yīng)有多高的敏感性，因此可以通過(guò)測(cè)量相干時(shí)間來(lái)推導(dǎo)量子位的環(huán)境”。

目標(biāo)：具有旋轉(zhuǎn)裝飾氮化硼層的電子設(shè)備

JMU團(tuán)隊(duì)的下一個(gè)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)由不同材料（包括旋轉(zhuǎn)軸承組件）制成的人工堆疊二維晶體。后者的基本組成部分是原子薄的氮化硼層，其中包含具有可接近的自旋態(tài)的光學(xué)活性缺陷。

弗拉基米爾·戴亞科諾夫（Vladimir Dyakonov）表示：“不僅要光學(xué)控制，而且要通過(guò)電流控制2D器件中的自旋缺陷及其周?chē)�環(huán)境，這將特別吸引人。”