Forschung & Entwicklung

Mit der Leerstelle zum Quantenbit bei Raumtemperatur

Spinzentren in zweidimensionalem Bornitrid können als optisch auslesbare Quantenbits funktionieren, die sich möglicherweise auch bei Raumtemperatur kontrollieren lassen.

Weltweit arbeiten Wissenschaftler daran, ein Festkörpersystem zu finden, in dem der Spin-Zustand ausgerichtet, nach Wunsch manipuliert und später optisch oder elektrisch abgefragt werden kann. Forscher der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Sydney identifizierten nun ein Spinzentrum in Bornitrid, das laut den Wissenschaftlern diese Anforderungen erfüllt.

Bornitrid sieht strukturell dem Graphen sehr ähnlich, hat aber völlig andere optoelektronische Eigenschaften. Seine Bestandteile, die Elemente Bor und Stickstoff, nehmen – wie Kohlenstoffatome im Graphen – eine wabenartige hexagonale Struktur an. Dabei ordnen sie sich in zweidimensionalen Schichten an, die nur eine Atomlage dick sind. Die einzelnen Schichten sind nur schwach durch Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden und lassen sich leicht voneinander trennen.

Die Physiker haben zweidimensionale Bornitridgitter mit einem spezifischen Defekt versehen – einer Fehlstehle, an der sich eigentlich ein Bor-Atom befinden müsste. Diese Leerstelle sorgt für einen Spin. Außerdem kann sie Licht absorbieren und emittieren. Um diesen Effekt der Photolumineszenz detailliert zu untersuchen, haben die Würzburger Wissenschaftler eine Methode entwickelt, bei der sowohl ein statisches als auch ein hochfrequentes Magnetfeld zum Einsatz kommen.

Wenn man die Frequenz des Wechselfeldes variiert, trifft man irgendwann genau die Frequenz des Spins, und die Photolumineszenz ändert sich, erklärt Vladimir Dyakonov, Inhaber des Lehrstuhls für Experimentelle Physik VI an der JMU. Ein bisschen Glück sei dabei allerdings nötig, schließlich lasse sich nicht vorhersagen, bei welchen Frequenzen man nach unbekannten Spinzuständen suchen muss, so Dyakonov. Er und sein Team hatten diese bisher nur theoretisch vorhergesagten Zentren im Kristall entdeckt. Sie konnten unter anderem die Spinpolarisation des Defekts, also die Ausrichtung des magnetischen Moments, unter optischer Anregung nachweisen – und das sogar bei Raumtemperatur.

Weil der Defekt einen Spin besitzt, Licht absorbiert und Licht emittiert bietet es sich als Quantenbit zum Einsatz in der Quantensensorik und der Quanteninformation an. Auch neue Navigationstechnik könnte mit dieser Technik arbeiten, weshalb Raumfahrtagenturen wie DLR und NASA intensiv an diesem Thema forschen.

Gefördert wurde diese Arbeit von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und der Alexander-von-Humboldt-Stiftung.

von mg

Originalveröffentlichung:

[Andreas Gottschol et al., Initialization and read-out of intrinsic spin defects in a van der Waals crystal at room temperature, Nature Materials (2020), DOI: 10.1038/s41563-020-0619-6]

www.physik.uni-wuerzburg.de

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