原子空位可以在室温下充当量子位

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尽管氮化硼在结构上看起来与石墨烯非常相似,但它具有完全不同的光电特性。它的组成元素硼和氮,像石墨烯中的碳原子一样,排列成蜂窝状的六角形结构。它们排列在仅一层原子层厚的二维层中。各个层仅通过所谓的范德华力弱耦合,并且因此可以容易地彼此分离。

来自德国巴伐利亚州的尤利乌斯-马克西米利安斯大学(JMU)的物理学家与澳大利亚悉尼科技大学合作,现已首次成功地通过实验证明了氮化硼晶体中的所谓自旋中心。物理学研究所VI实验物理学教授Vladimir Dyakonov教授及其团队在JMU方面对此负责,并进行了关键的实验。这项研究的结果已经发表在科学杂志《自然材料》上。

在氮化硼的层状晶格中,物理学家发现一个特殊的缺陷-缺失的硼原子-表现出磁偶极矩,也称为自旋。此外,它还可以吸收和发射光,因此也称为色心。为了详细研究量子发射器的磁光特性,JMU科学家开发了一种特殊的实验技术,该技术结合了静态磁场和高频磁场。

需要一点运气

Dyakonov解释说:“如果改变交变磁场的频率,则在某些时候您会精确地达到自旋的频率,并且光致发光会发生巨大变化。” 但是,需要一点运气,因为很难预测一个人必须搜索未知自旋状态的频率。Dyakonov和他的团队已经在2D晶体系统中发现了这些中心,而这以前只是理论上的预测。除其他事项外,他们还能够证明自旋极化,即即使在室温下,在光激发下缺陷磁矩的对准。

这也使该实验对于技术应用也很有趣:世界各地的科学家们目前正在寻找一种固态系统,在该固态系统中,可以调整自旋态,按需操纵并随后通过光学或电学方式读出。Dyakonov补充说:“我们在氮化硼中确定的自旋中心满足了这些要求。” 因为它具有自旋,并且另外吸收并发射光,所以它是可以用于量子感测和量子信息的量子位。新的导航技术也可以与此技术配合使用,这就是为什么诸如DLR和NASA之类的太空机构也对此主题进行深入研究的原因。

乐高积木原理的材料设计

对于基础科学家来说,二维材料也从另一个角度令人兴奋。它们具有非常特殊的层结构,结合了层之间仅有的弱结合,从而提供了由不同半导体构造不同堆叠顺序的可能性。Dyakonov说:“如果在这些层之一中放置缺陷,我们将其称为自旋探针,这不仅有助于了解相邻层的性质,还可以改变整个堆叠的物理性质。”

因此,Dyakonov和他的同事们希望在下一步中生产由多层半导体制成的异质结构,其中氮化硼层作为中间层。他们坚信:“如果能够生产出用单个自旋中心'修饰'的氮化硼原子薄层,并将其结合到异质结构中,就有可能基于乐高积木原理设计人造二维晶体,并调查它们的特性。”


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