Американские исследователи использовали электронные спиновые кубиты и лазерное излучение для управления ядерными спинами в двумерном гексагональном нитриде бора. Технологию можно будет использовать для создания датчиков атомного масштаба, а также для записи квантовой информации в 2D-материале. Статья опубликована в журнале Nature Materials.
«Это первая работа, демонстрирующая оптическую инициализацию и когерентный контроль ядерных спинов в 2D-материалах, — рассказывает соавтор исследования Тонгцан Ли. — Теперь мы можем использовать свет для инициализации ядерных спинов, записывать и считывать квантовую информацию в 2D-материалах. Этот метод может иметь множество различных применений».
Кубит — наименьшая единица информации в квантовом компьютере (аналог бита в обычном компьютере). Он часто состоит из атома, субатомной частицы или фотона. В кубите с электронным или ядерным спином бинарное состояние «0» или «1» классического компьютерного бита представлено спином. Спиновый кубит можно использовать в качестве датчика, например для исследования структуры белка с наноразмерным разрешением. При этом кубиты, встроенные в двумерные материалы, могут предложить еще большее разрешение и более сильный сигнал. В 2019 году был создан первый кубит с электронным спином в гексагональном нитриде бора, который появлялся при удалении из решетки атома бора и захвата электрона на его месте.
Теперь ученые создали интерфейс для фотонов и ядерных спинов в двумерном гексагональном нитриде бора. Ядерные спины могут быть оптически инициализированы — установлены на известный спин — через окружающие электронные спиновые кубиты. После этого радиоволны могут быть использованы для изменения кубита с ядерным спином (для «записи» информации) или для измерения изменений в кубитах (для «чтения»).
Чтобы управлять кубитом с ядерным спином, исследователи сначала удалили атом бора из решетки и заменили его электроном. Электрон теперь оказался между атомами азота, и в этот момент каждое ядро атома азота находилось в случайном спиновом состоянии: «-1», «0» или «+1». Затем электрон доводился до нулевого спинового состояния с помощью лазерного излучения, что оказывало незначительное влияние на спин ядер. Наконец, сверхтонкое взаимодействие между возбужденным электроном и тремя окружающими его ядрами азота приводило к изменению спина ядер. Когда цикл повторялся несколько раз, спин ядра достигал состояния «+1» и сохранял это значение. Когда все три ядра находились в состоянии «+1», их можно было использовать как тройку кубитов.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
