二维材料中的量子位和纳米传感器

IEEE电气电子工程师学会 2019-02-22 23:59

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插图来源Ann Sizemore Blevins

一项新的研究在日常材料中发现了量子效应,这可能为量子计算机和极其敏感的测量设备提供一种新方法。

从某种意义上说,这项研究只是向前迈出了一小步,因为这些量子效应已经在其他材料和实验装置中得到了很好的研究和理解。但在另一方面,它可能是一个重要的出发点,因为找到在廉价、易获得的日常材料中操纵这种亚微观现象的方法,可能会解决当今量子技术的悖论。

这个悖论是这样的:如果量子态——例如单个电子的自旋——很容易被操纵并其他单个电子自旋纠缠那么它们开启一个应用的聚宝盆,包括量子计算机原子钟GPS装置,以及极其精密的测量设备,如纳米级显微镜高灵敏度的加速度计和能够检测气体沉积物生物分子和大规模杀伤性武器的探测杖

但就目前而言,开发这种微小的技术潜力通常需要巨大笨拙的实验室设备,如真空室,低温冷却器和激光原子阱。这就是为什么发现合适的宿主材料如此重要。微型设备或微芯片中的微量子技术将是革命性的。

这项新研究发表在1月15日出版的 Nature Communications它关注的是很像碳超材料石墨烯的一种六边形网格极薄二维材料层。但与导电石墨烯不同的是,这种被称为六方氮化硼h-BN的材料是半导体。

就像使计算机革命成为可能一样上世纪40年代和50年代的半导体突破一样,h-BN的发现利用了这种材料晶格的缺陷。某些缺陷——尽管研究人员还没有发现——似乎屏蔽了半导体宽带隙深处单个电子自旋。

“量子信息科学和量子工程是一场隔离和控制之间的持续战斗。”宾夕法尼亚大学电子和系统工程助理教授Lee Bassett说。“我们需要将东西隔离开来,这样它们就不会随意与其环境中的一切对话。”但我们需要它们它们的环境对话,因为我们需要控制它们

Bassett说,一些量子技术已经围绕着一种类似的3D材料出现,这种材料就是金刚石,它的碳晶格中散布着氮缺陷。自上世纪90年代末以来,人们就一直在研究具有氮空位NV的钻石。研究人员后来发现,这些NV金刚石缺陷可以庇护寿命较长的单个电子自旋。Bassett说,目前有几家公司正在利用金刚石中NV中心发展量子技术。

然而,金刚石中的NV是一种3D材料。所以控制单个电子自旋的状态,更不用说数十或数百个纠缠在一起的电子自旋的状态,是非常具有挑战性的。

相反,由于h-BN是一种二维材料,每个包含可操纵的电子自旋的容器都可以相对容易地由上方或下方的激光定位。但是,使用金刚石的挑战可能仍然值得付出努力去解决Bassett说金刚石中氮空位的关键特性是它们在极端条件下具有令人难以置信的稳健性。

结果是,即使h-BN作为许多量子技术的基体而被大量应用,金刚石中的NV对于需要抵抗热环境或电磁噪声环境的应用仍然很重要。

利用六方氮化硼向前走的道路似乎要简单得多。另一个原因是“二维材料的优势是以不同方式设计的灵活性Bassett说。它最吸引人的物理特性之一是,它还可以被插入到其他材料之上设计混合量子技术。

“这是二维材料方面正在发生的事情”Bassett说。“人们学习如何造就这些东西,学习如何堆叠它们;人们正在探索不同的组合。

可以通过将h-BN与其他2D系统堆叠在一起制作出来众多可能的夹层结构(sandwich中,存在着量子信息科学中有用武之地夹层结构——从诸如可以非常精确和快速地控制的量子处理器能长时间存储量子信息量子存储器等的东西到必须与光子发生强烈的相互作用的量子通信链路

所以Bassett说,留意六氮化硼。用于量子技术的新型硅是否可利用它,他的团队和世界各地的其他人将在未来的实验中证明。



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