工程师开发室温 量子技术的二维平台

研究人员现已展示了一种基于二维材料中孤立电子自旋的新硬件平台。电子被六角形氮化硼片(一种原子厚度的半导体材料)中的缺陷捕获，研究人员能够光学检测系统的量子态。量子计算机有望成为一项革命性的技术，因为它们的基本构建模块，量子比特，可以保存比经典计算机的二进制0或1位更多的信息。但是为了利用这种能力，必须开发能够访问，测量和操纵各个量子态的硬件。

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的研究人员现已展示了一种基于二维材料中孤立电子自旋的新硬件平台。电子被六角形氮化硼片(一种原子厚度的半导体材料)中的缺陷捕获，研究人员能够光学检测系统的量子态。

该研究由电气和系统工程系助理教授Lee Bassett和他实验室博士后研究员Annemarie Exarhos领导。塞特实验室成员David Hopper和Raj Patel以及澳大利亚国立大学的Marcus Doherty也参与了这项研究。它发表在Nature Communications杂志上。

有许多用于构建量子技术的潜在架构。一个有希望的系统涉及钻石中的电子自旋：这些自旋也被困在钻石的规则晶体图案中的缺陷处，其中碳原子缺失或被其他元素取代。缺陷的作用类似于孤立的原子或分子，它们以一种能够测量其自旋并用作量子位的方式与光相互作用。

这些系统对于量子技术很有吸引力，因为它们可以在室温下工作，不像其他基于超冷超导体或真空中离子的原型，但与块状金刚石一起工作会带来其自身的挑战。

“在3D材料中使用旋转的一个缺点是我们无法精确控制它们相对于表面的位置”Bassett说。“具有这种级别的原子尺度控制是在2D中工作的一个原因。也许你想在这里放一个旋转并在那里旋转一个让它们互相说话。或者如果你想在一个层中旋转材料和顶部有一个2D磁体层并使它们相互作用。当自旋被限制在一个原子平面上时，你可以启用一系列新的功能。

随着纳米技术的进步产生了可供选择的二维材料扩展库，巴塞特和他的同事们寻求最像平板钻石的平面模拟。

“你可能会认为模拟物是石墨烯，它只是碳原子的蜂窝晶格，但在这里我们更关心晶体的电子特性而不是它所构成的原子类型，”Exarhos说，他现在是一名助手。拉斐特大学物理学教授。“石墨烯的行为类似于金属，而金刚石则是宽带隙半导体，因此就像绝缘体一样。另一方面，六方氮化硼与石墨烯具有相同的蜂窝结构，但是，与金刚石一样，它也是一种宽的 - 带隙半导体已广泛用作2D电子设备中的介电层。“

对于六角形氮化硼或h-BN，广泛可用且具有良好特性，Bassett及其同事专注于其不太了解的一个方面：蜂窝晶格中可发光的缺陷。

先前已知的是h-BN的平均片段包含发光的缺陷。巴塞特的研究小组首次证明，对于其中一些缺陷，发射光的强度会随着磁场的变化而变化。

“我们在材料上发出一种颜色的光，我们得到另一种颜色的光子，”巴塞特说。“磁铁控制旋转，旋转控制h-BN中的缺陷发射的光子数。这是一个可以用作量子比特的信号。”

除了计算之外，在2D表面上使用量子机器的量子比特的构建块能够实现依赖于接近度的其他潜在应用。

“量子系统对环境非常敏感，这就是为什么它们难以隔离和控制，”巴塞特说。“但另一方面，你可以利用这种灵敏度来制造新型传感器。原则上，这些小旋转可以是微型核磁共振探测器，就像在核磁共振成像中使用的那种，但具有在单个分子上操作的能力。

核磁共振目前用于了解分子结构，但它需要数百或数十亿的目标分子组装成晶体。相比之下，2D量子传感器可以测量单个分子的结构和内部动力学，例如研究化学反应和蛋白质折叠。

虽然研究人员对h-BN缺陷进行了广泛的调查，以发现具有特殊自旋相关光学特性的缺陷，但这些缺陷的确切性质仍然未知。该团队的后续步骤包括了解是什么使得某些(但不是全部)缺陷响应磁场，然后重新创建这些有用的缺陷。

其中一些工作将由Penn的Singh纳米技术中心及其新的JEOL NEOARM显微镜实现。NEOARM是美国唯一的同类传输电子显微镜，能够解析单个原子，甚至可能产生研究人员想要使用的各种缺陷。

“这项研究汇集了两个主要的科学研究领域，”巴塞特说。“一方面，在扩展2D材料库和理解它们展示的物理特性以及它们可以制造的器件方面已经做了大量的工作。另一方面，这些不同的量子架构也在发展。这就是第一个将他们聚集在一起说'这是2D材料中潜在的室温量子结构'的人之一。'“

这项工作得到了陆军研究办公室(W911NF-15-1-0589)，澳大利亚研究理事会(DE170100169)和国家科学基金会通过材料研究科学和工程中心计划(DMR-1720530)和国家纳米技术协调基础设施的支持。计划(NNCI-1542153)