Representação esquemática do controle coerente de um defeito de spin (vermelho) em uma camada atômica de nitreto de boro. O nitreto de boro consiste em boro (esferas amarelas) e nitrogênio (esferas azuis) e encontra-se em uma linha de fita. O defeito de rotação é excitado por um laser e seu estado é lido por fotoluminescência. O qubit pode ser manipulado por pulsos de microondas (azul claro) da linha de fita e também por um campo magnético. Crédito:Andreas Gottscholl / Universidade de Wuerzburg
O nitreto de boro é um material tecnologicamente interessante porque é muito compatível com outras estruturas cristalinas bidimensionais. Portanto, abre caminhos para heteroestruturas artificiais ou dispositivos eletrônicos construídos sobre elas com propriedades fundamentalmente novas.
Cerca de um ano atrás, uma equipe do Instituto de Física da Julius-Maximilians-Universität (JMU) Wuerzburg na Baviera, Alemanha, conseguiu criar defeitos de rotação, também conhecido como qubits, em um cristal em camadas de nitreto de boro e identificando-os experimentalmente.
Recentemente, a equipe liderada pelo professor Vladimir Dyakonov, seu Ph.D. o estudante Andreas Gottscholl e o líder do grupo PD Dr. Andreas Sperlich, conseguiu dar um próximo passo importante:o controle coerente de tais defeitos de rotação, e isso mesmo à temperatura ambiente. Os pesquisadores relatam suas descobertas no jornal impactante Avanços da Ciência . Apesar da pandemia, o trabalho foi realizado em uma colaboração internacional intensiva com grupos da University of Technology Sydney na Austrália e da Trent University no Canadá.
Medindo campos eletromagnéticos locais com ainda mais precisão
"Esperamos que materiais com defeitos de rotação controláveis permitam medições mais precisas dos campos eletromagnéticos locais, uma vez que são usados em um sensor", explica Vladimir Dyakonov, "e isso é porque eles são, por definição, na fronteira com o mundo circundante, que precisa ser mapeado. Áreas concebíveis de aplicação são imagens na medicina, navegação, em todos os lugares onde a medição sem contato de campos eletromagnéticos é necessária, ou em tecnologia da informação.
"A busca da comunidade de pesquisa pelo melhor material para isso ainda não está completa, mas existem vários candidatos em potencial, "acrescenta Andreas Sperlich." Acreditamos que encontramos um novo candidato que se destaca por sua geometria plana, que oferece as melhores possibilidades de integração em eletrônica. "
Limites de tempos de coerência de spin superados com dificuldade
Os pesquisadores do JMU planejam realizar essa estrutura empilhada. Consiste em grafeno metálico (parte inferior), nitreto de boro isolante (meio) e dissulfeto de molibdênio semicondutor (topo). O ponto vermelho simboliza o único defeito de rotação em uma das camadas de nitreto de boro. O defeito pode servir como uma sonda local na pilha. Crédito:Andreas Gottscholl / Universidade de Wuerzburg
Todos os experimentos de sensibilidade ao spin com o nitreto de boro foram realizados em JMU. "Pudemos medir os tempos de coerência de spin característicos, determinar seus limites e até mesmo superá-los com dificuldade, "diz um encantado Andreas Gottscholl, Ph.D. aluno e primeiro autor da publicação. O conhecimento dos tempos de coerência de spin é necessário para estimar o potencial de defeitos de spin para aplicações quânticas, e longos tempos de coerência são altamente desejáveis, pois eventualmente se deseja realizar manipulações complexas.
Gottscholl explica o princípio em termos simplificados:"Imagine um giroscópio que gira em torno de seu eixo. Conseguimos provar que esses minigiroscópios existem em uma camada de nitreto de boro. E agora mostramos como controlar o giroscópio, ou seja, por exemplo, para desviá-lo por qualquer ângulo, sem nem mesmo tocá-lo, e acima de tudo, para controlar este estado. "
O tempo de coerência reage com sensibilidade às camadas atômicas vizinhas
A manipulação sem contato do "giroscópio" (o estado de spin) foi alcançada através do campo eletromagnético de alta frequência pulsado, as microondas ressonantes. Os pesquisadores do JMU também foram capazes de determinar por quanto tempo o "giroscópio" mantém sua nova orientação. Estritamente falando, o ângulo de deflexão deve ser visto aqui como uma ilustração simplificada do fato de que um qubit pode assumir muitos estados diferentes, não apenas 0 e 1 como um pouco.
O que isso tem a ver com a tecnologia de sensor? O ambiente atômico direto em um cristal influencia o estado de spin manipulado e pode encurtar muito seu tempo de coerência. "Fomos capazes de mostrar como extremamente sensível a coerência reage à distância até os átomos e núcleos atômicos mais próximos, às impurezas magnéticas, à temperatura e aos campos magnéticos - então o ambiente do qubit pode ser deduzido da medição do tempo de coerência, "explica Andreas Sperlich.
Objetivo:dispositivos eletrônicos com camadas de nitreto de boro decoradas por rotação
O próximo objetivo da equipe JMU é realizar um cristal bidimensional artificialmente empilhado feito de materiais diferentes, incluindo um componente de rolamento de rotação. Os blocos de construção essenciais para o último são camadas de nitreto de boro atomicamente finas contendo defeitos opticamente ativos com um estado de rotação acessível.
"Seria particularmente atraente controlar os defeitos de rotação e seus arredores nos dispositivos 2-D não apenas opticamente, mas através da corrente elétrica. Este é um território completamente novo, "diz Vladimir Dyakonov.
