工程師開發(fā)室溫 量子技術(shù)的二維平臺

研究人員現(xiàn)已展示了一種基于二維材料中孤立電子自旋的新硬件平臺。電子被六角形氮化硼片(一種原子厚度的半導(dǎo)體材料)中的缺陷捕獲，研究人員能夠光學(xué)檢測系統(tǒng)的量子態(tài)。量子計算機(jī)有望成為一項革命性的技術(shù)，因為它們的基本構(gòu)建模塊，量子比特，可以保存比經(jīng)典計算機(jī)的二進(jìn)制0或1位更多的信息。但是為了利用這種能力，必須開發(fā)能夠訪問，測量和操縱各個量子態(tài)的硬件。

賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的研究人員現(xiàn)已展示了一種基于二維材料中孤立電子自旋的新硬件平臺。電子被六角形氮化硼片(一種原子厚度的半導(dǎo)體材料)中的缺陷捕獲，研究人員能夠光學(xué)檢測系統(tǒng)的量子態(tài)。

該研究由電氣和系統(tǒng)工程系助理教授Lee Bassett和他實(shí)驗室博士后研究員Annemarie Exarhos領(lǐng)導(dǎo)。塞特實(shí)驗室成員David Hopper和Raj Patel以及澳大利亞國立大學(xué)的Marcus Doherty也參與了這項研究。它發(fā)表在Nature Communications雜志上。

有許多用于構(gòu)建量子技術(shù)的潛在架構(gòu)。一個有希望的系統(tǒng)涉及鉆石中的電子自旋：這些自旋也被困在鉆石的規(guī)則晶體圖案中的缺陷處，其中碳原子缺失或被其他元素取代。缺陷的作用類似于孤立的原子或分子，它們以一種能夠測量其自旋并用作量子位的方式與光相互作用。

這些系統(tǒng)對于量子技術(shù)很有吸引力，因為它們可以在室溫下工作，不像其他基于超冷超導(dǎo)體或真空中離子的原型，但與塊狀金剛石一起工作會帶來其自身的挑戰(zhàn)。

“在3D材料中使用旋轉(zhuǎn)的一個缺點(diǎn)是我們無法精確控制它們相對于表面的位置”Bassett說。“具有這種級別的原子尺度控制是在2D中工作的一個原因。也許你想在這里放一個旋轉(zhuǎn)并在那里旋轉(zhuǎn)一個讓它們互相說話?；蛘呷绻阆朐谝粋€層中旋轉(zhuǎn)材料和頂部有一個2D磁體層并使它們相互作用。當(dāng)自旋被限制在一個原子平面上時，你可以啟用一系列新的功能。

隨著納米技術(shù)的進(jìn)步產(chǎn)生了可供選擇的二維材料擴(kuò)展庫，巴塞特和他的同事們尋求最像平板鉆石的平面模擬。

“你可能會認(rèn)為模擬物是石墨烯，它只是碳原子的蜂窩晶格，但在這里我們更關(guān)心晶體的電子特性而不是它所構(gòu)成的原子類型，”Exarhos說，他現(xiàn)在是一名助手。拉斐特大學(xué)物理學(xué)教授。“石墨烯的行為類似于金屬，而金剛石則是寬帶隙半導(dǎo)體，因此就像絕緣體一樣。另一方面，六方氮化硼與石墨烯具有相同的蜂窩結(jié)構(gòu)，但是，與金剛石一樣，它也是一種寬的 - 帶隙半導(dǎo)體已廣泛用作2D電子設(shè)備中的介電層。“

對于六角形氮化硼或h-BN，廣泛可用且具有良好特性，Bassett及其同事專注于其不太了解的一個方面：蜂窩晶格中可發(fā)光的缺陷。

先前已知的是h-BN的平均片段包含發(fā)光的缺陷。巴塞特的研究小組首次證明，對于其中一些缺陷，發(fā)射光的強(qiáng)度會隨著磁場的變化而變化。

“我們在材料上發(fā)出一種顏色的光，我們得到另一種顏色的光子，”巴塞特說。“磁鐵控制旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)控制h-BN中的缺陷發(fā)射的光子數(shù)。這是一個可以用作量子比特的信號。”

除了計算之外，在2D表面上使用量子機(jī)器的量子比特的構(gòu)建塊能夠?qū)崿F(xiàn)依賴于接近度的其他潛在應(yīng)用。

“量子系統(tǒng)對環(huán)境非常敏感，這就是為什么它們難以隔離和控制，”巴塞特說。“但另一方面，你可以利用這種靈敏度來制造新型傳感器。原則上，這些小旋轉(zhuǎn)可以是微型核磁共振探測器，就像在核磁共振成像中使用的那種，但具有在單個分子上操作的能力。

核磁共振目前用于了解分子結(jié)構(gòu)，但它需要數(shù)百或數(shù)十億的目標(biāo)分子組裝成晶體。相比之下，2D量子傳感器可以測量單個分子的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部動力學(xué)，例如研究化學(xué)反應(yīng)和蛋白質(zhì)折疊。

雖然研究人員對h-BN缺陷進(jìn)行了廣泛的調(diào)查，以發(fā)現(xiàn)具有特殊自旋相關(guān)光學(xué)特性的缺陷，但這些缺陷的確切性質(zhì)仍然未知。該團(tuán)隊的后續(xù)步驟包括了解是什么使得某些(但不是全部)缺陷響應(yīng)磁場，然后重新創(chuàng)建這些有用的缺陷。

其中一些工作將由Penn的Singh納米技術(shù)中心及其新的JEOL NEOARM顯微鏡實(shí)現(xiàn)。NEOARM是美國唯一的同類傳輸電子顯微鏡，能夠解析單個原子，甚至可能產(chǎn)生研究人員想要使用的各種缺陷。

“這項研究匯集了兩個主要的科學(xué)研究領(lǐng)域，”巴塞特說。“一方面，在擴(kuò)展2D材料庫和理解它們展示的物理特性以及它們可以制造的器件方面已經(jīng)做了大量的工作。另一方面，這些不同的量子架構(gòu)也在發(fā)展。這就是第一個將他們聚集在一起說'這是2D材料中潛在的室溫量子結(jié)構(gòu)'的人之一。'“

這項工作得到了陸軍研究辦公室(W911NF-15-1-0589)，澳大利亞研究理事會(DE170100169)和國家科學(xué)基金會通過材料研究科學(xué)和工程中心計劃(DMR-1720530)和國家納米技術(shù)協(xié)調(diào)基礎(chǔ)設(shè)施的支持。計劃(NNCI-1542153)