氮化硼原子层中自旋缺陷（红色）的相干控制示意图。氮化硼由硼（黄色球体）和氮（蓝色球体）组成，位于带状线上。自旋缺陷由激光激发，其状态通过光致发光读出。量子位可以通过带状线的微波脉冲（浅蓝色）和磁场来操纵。图片来源：Andreas Gottscholl/维尔茨堡大学

氮化硼是一种技术上有趣的材料，因为它与其他二维晶体结构非常兼容。因此，它为人造异质结构或在其上构建的具有全新特性的电子设备开辟了道路。

大约一年前，来自德国巴伐利亚州维尔茨堡 Julius-Maximilians-Universitt (JMU) 物理研究所的一个团队成功地在氮化硼层状晶体中产生自旋缺陷，也称为量子位，并通过实验对其进行识别。

最近，由他的博士 Vladimir Dyakonov 教授领导的团队。学生 Andreas Gottscholl 和小组负责人 PD Andreas Sperlich 博士成功地采取了重要的下一步：对此类自旋缺陷进行连贯控制，即使在室温下也是如此。研究人员在有影响力的期刊《科学进展》上报告了他们的发现。尽管发生了大流行，但这项工作是在与澳大利亚悉尼科技大学和加拿大特伦特大学的团体的密切国际合作中进行的。

更精确地测量局部电磁场

Vladimir Dyakonov 解释说：“我们希望具有可控自旋缺陷的材料一旦用于传感器，就可以更精确地测量局部电磁场，这是因为根据定义，它们位于周围世界的边界，可以想象的应用领域包括医学成像、导航、需要对电磁场进行非接触式测量的任何地方，或者信息技术。

“研究界对此最佳材料的搜索尚未完成，但有几个潜在的候选者，”Andreas Sperlich 补充道。“我们相信我们找到了一个新的候选者，因其扁平的几何形状而脱颖而出，这为电子产品提供了最佳的集成可能性。”

巧妙克服自旋相干时间的限制

JMU 研究人员计划实现这种堆叠结构。它由金属石墨烯（下）、绝缘氮化硼（中）和半导体二硫化钼（上）组成。红点象征氮化硼层之一中的单一自旋缺陷。缺陷可以作为堆栈中的局部探针。图片来源：Andreas Gottscholl/维尔茨堡大学

所有使用氮化硼的自旋敏感实验均在 JMU 进行。“我们能够测量特征自旋相干时间，确定它们的极限，甚至巧妙地克服这些极限，”Andreas Gottscholl 博士说。该出版物的学生和第一作者。自旋相干时间的知识对于估计量子应用中自旋缺陷的潜力是必要的，并且当人们最终想要执行复杂的操作时，非常需要长的相干时间。

Gottscholl 用简化的术语解释了这个原理：“想象一个绕其轴旋转的陀螺仪。我们已经成功地证明了这种微型陀螺仪存在于一层氮化硼中。现在我们已经展示了如何控制陀螺仪，即，例如，以任何角度偏转它甚至不接触它，最重要的是，控制这种状态。”

相干时间对相邻原子层反应灵敏

“陀螺仪”（自旋状态）的非接触式操纵是通过脉冲高频电磁场、共振微波实现的。JMU 研究人员还能够确定“陀螺仪”保持其新方向的时间。严格来说，偏转角在这里应该被视为一个简单的说明，一个量子位可以呈现许多不同的状态，而不仅仅是 0 和 1 之类的。

这与传感器技术有什么关系？晶体中的直接原子环境会影响操纵的自旋状态，并可以大大缩短其相干时间。“我们能够展示相干性对与最近原子和原子核的距离、磁性杂质、温度和磁场的反应是多么敏感——因此可以从相干时间的测量中推断出量子位的环境，”Andreas Sperlich 解释道。

目标：具有自旋装饰氮化硼层的电子设备

JMU 团队的下一个目标是实现一种由不同材料制成的人工堆叠二维晶体，其中包括一个自旋轴承组件。后者的基本组成部分是原子级薄的氮化硼层，其中包含具有可接近自旋态的光学活性缺陷。

“不仅在光学上，而且通过电流来控制二维器件中的自旋缺陷及其周围环境，这将特别有吸引力。这是一个全新的领域，”弗拉基米尔·迪亚科诺夫说。