Forscher erreichen eine kohärente Kontrolle von zwei

14. Juni 2023

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von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas

Ein Team unter der Leitung von Prof. Guo Guangcan hat in Zusammenarbeit mit dem Wigner Research Center for Physics einen neuen Ansatz zur Entdeckung eines neuen Spindefekts mit einer hervorragenden Wahrscheinlichkeit von 85 % vorgestellt und eine kohärente Kontrolle eines ultrahellen Einzelspins in hexagonalem Bornitrid erreicht (hBN) bei Raumtemperatur. Die Studie wurde in Nature Communications veröffentlicht.

Festkörper-Spindefekte sind für die Quanteninformation von großer Bedeutung, beispielsweise das Stickstoff-Leerstellen-Zentrum (NV) in Diamanten, das in Quantencomputern und Quantennetzwerken weit verbreitet ist. Das zweidimensionale Material hBN gilt als bemerkenswerter Wirt für Farbzentrumsspindefekte. Die Spindefekte in hBN haben aufgrund ihrer Vorteile in zweidimensionalen Quantengeräten und integrierten Quantennanogeräten große Aufmerksamkeit erregt.

Unter den entdeckten Spindefekten in hBN ist der negativ geladene Borfehlstellendefekt (VB-) der vorherrschendste. Forscher aus dem Team von Prof. Guo führten in ihrer früheren Forschung die Messung der Temperaturabhängigkeit basierend auf dem VB-Defekt durch und demonstrierten die kohärente Dynamik des Multi-Spin-VB-Zentrums.

Es fiel ihnen schwer, einen einzelnen VB-Defekt aufgrund seiner geringen Quanteneffizienz für den optischen Übergang zu erkennen. Trotz mehrerer Berichte über eine verstärkte Photolumineszenz des VB-Defekts ist die Beobachtung der kohärenten Kontrolle eines einzelnen Spins immer noch eine Herausforderung.

In dieser Studie gelang es den Forschern, mithilfe der Kapillarkraft einzelne Farbzentren in hBN-Pulverproben zu isolieren. Sie entdeckten eine Klasse ultraheller Single-Spin-Farbzentren mit einer hervorragenden Wahrscheinlichkeit von 85 %, was im Vergleich zu früheren Methoden um das 21-fache erhöht ist.

Anschließend maßen die Forscher seine optischen Eigenschaften mit signifikanten Antibunching-Eigenschaften und einem Photonenemissionsgrad von bis zu 25 MHz, was die höchste bisher in hBN gefundene Fluoreszenzzahl einzelner Spin-Farbzentren darstellt. Sie erfassten außerdem das Rabi-Oszillationssignal und führten Hahn-Echo-Experimente durch. Es war das erste Mal, dass ein Single-Spin-Farbzentrum in hBN bei Raumtemperatur manipuliert wurde, was eine neue Stufe in der Anwendung von Quanteninformation darstellt.

Darüber hinaus führten die Forscher erste Berechnungen durch, um die Struktur dieses Farbzentrumsdefekts aufzuklären. Es wurde festgestellt, dass der Komplex aus Kohlenstoff-Sauerstoff-Dotierstoffen die Quelle dieser Art von Single-Spin-Farbzentrumsdefekten sein könnte, und die simulierten optisch erfassten Magnetresonanzspektren (ODMR) des CNCB3-Modells stimmen mit den experimentellen Ergebnissen überein.

Die kohärente Kontrolle eines ultrahellen Einzelspins in hBN bei Raumtemperatur macht einen Sprung in Quantenbereichen und bietet die Möglichkeit, Spins anzusprechen, die optisch kontrolliert werden können.

Mehr Informationen: Nai-Jie Guo et al., Kohärente Kontrolle eines ultrahellen Einzelspins in hexagonalem Bornitrid bei Raumtemperatur, Nature Communications (2023). DOI: 10.1038/s41467-023-38672-6

Zeitschrifteninformationen:Naturkommunikation

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