Открыт новый способ исследования ядерных спинов в двумерных материалах
Ученые Института физики Казанского федерального университета (КФУ) совместно с сотрудниками Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе РАН и Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН приняли участие в международном исследовании, посвященном расширению понимания спиновых взаимодействий VB-дефекта с удаленными ядерными магнитными моментами.
Исследование относится к стремительно развивающейся области квантовых технологий, которые основаны на оптически поляризуемых спиновых состояниях дефектов в твердотельных кристаллах. Эти дефекты ведут себя подобно изолированным атомам и могут использоваться в качестве квантовых битов (кубитов). На их основе можно создавать высокочувствительные квантовые сенсоры, вычислительные устройства и системы квантовой связи.
Ранее основное внимание в этой области было сосредоточено на трехмерных кристаллах, таких как алмаз или карбид кремния, где спиновые центры, в частности, азотно-вакансионные (NV), продемонстрировали выдающиеся свойства: длительное время когерентности, возможность оптического считывания и высокую чувствительность к внешним полям. Однако в последние годы на первый план выходят двумерные материалы, уникальность которых состоит в том, что атомы в них связаны прочными ковалентными связями, в то время как сами слои — слабыми силами Ван-дер-Ваальса.
«Разрывая данное слабое взаимодействие, удается получать материалы, являющиеся предельным коденсированным состоянием вещества — двумерный слой толщиной в один атом. Одним из самых перспективных представителей этой группы является гексагональный нитрид бора (hBN), называемый еще «белым графеном» благодаря своей кристаллографической схожести с классическим графеном», — рассказал один из участников исследования, научный сотрудник НИЛ «Перспективные платформы для спиновых квантовых манипуляций» Института физики КФУ Фадис Мурзаханов.
По словам ученого, уникальной возможностью для квантовых технологий оказалось открытие в этом материале такого дефекта как отрицательно заряженная вакансия бора (VB-) — отсутствующий атом бора в двумерной плоскости гибридизованных атомов азота и бора.
«Данный дефект обладает триплетным электронным спиновым состоянием, демонстрирует рекордно высокую степень оптически индуцированной спиновой поляризации близкую к 100 процентам при комнатной температуре, выдающиеся времена спиновой когерентности поляризованной спиновой системы в диапазоне десятка микросекунд. Эти свойства кубита на базе VB- дефекта легли в основу разработок наноразмерных квантовых сенсоров магнитных полей, температуры, давления и прочих физических параметров», — отметил Фадис Мурзаханов.
Целью работы стало расширение понимания спиновых взаимодействий VB-дефекта с удаленными ядерными магнитными моментами. Ученые продемонстрировали возможность детектирования и спектроскопического анализа ядерных спинов, удаленных от центра дефекта на значительное расстояние, и охарактеризовали природу их взаимодействий с электронным спином вакансии. Исследование проводилось с использованием комплекса современных методов, включая фотоиндуцированную импульсную спектроскопию электронного парамагнитного резонанса и двойного электронно-ядерного резонанса в высокочастотном диапазоне установки (94 ГГц), дополненные квантово-химическими расчетами в рамках теории функционала плотности.
«Впервые для системы «VB-дефект: ядерные спины решетки hBN» нам удалось продемонстрировать регистрацию дальних магнитных моментов атомов посредством измерения сигналов ядерного магнитного резонанса. Идентифицировать эти магнитные моменты как удаленные ядерные спины атомов азота, находящихся приблизительно на расстоянии 0,4 нанометра от вакансии бора в двумерном слое гексагонального нитрида бора. Анализ ориентационной зависимости спектров позволил точно локализовать эти атомы в третьей координационной оболочке и количественно охарактеризовать их сверхтонкие и квадрупольные взаимодействия с электронным спином дефекта», — поделилась итогами также участвовавшая в исследовании инженер-проектировщик лаборатории Екатерина Дмитриева.
Авторы отмечают, что полученные результаты закладывают фундамент для создания различных квантовых устройств нового поколения — от миниатюрных датчиков, способных детектировать одиночные центры/спины, до сложных вычислительных платформ и спин-фотонных интерфейсов, что найдет свое применение в биомедицинской диагностике, исследованиях новых материалов и разработке квантовых компьютеров. Кроме того, проделанная работа обеспечивает понимание спиновых взаимодействий на дальних расстояниях в атомарно тонких системах, что важно с фундаментальной и практической точек зрения.
Работа выполнена при поддержке РНФ.