Huonelämpöinen alusta kvanttiteknologialle

Penn insinöörit tutkivat kaksiulotteista kuusikulmaista boorinitriidiä alustana huonelämpötilasta kvanttiteknologiaa varten. Materiaalin vikakohtien loukkuun jääneet spinit ovat herkkiä magneettikentille ja niiden tilat ovat saatavilla lasereiden avulla, jolloin niitä voidaan käyttää kubitteina.

Pennsylvanian yliopiston insinööri- ja ammattikorkeakoulun tutkijat ovat osoittaneet uuden laitteistoalustan, joka perustuu eristettyjen elektronien spineihin kaksiulotteisessa materiaalissa.

Yksi lupaava järjestelmä kvanttitietokoneen rakentamiseksi olisi käyttää timanttikiteen vikakohdissa olevia elektronien spinejä. Vikakohdat toimivat kuin eristetyt atomit tai molekyylit ja ne ovat vuorovaikutuksessa valon kanssa siten, että niiden spin voidaan mitata ja käyttää kubittina.

Nämä järjestelmät ovat houkuttelevia kvanttiteknologialle, koska ne voivat toimia huonelämpötiloissa mutta suurten timanttien kanssa työskentely aiheuttaa omia haasteitaan.

”Yksi haittapuoli spinien käytössä 3D-materiaaleissa on se, että emme voi hallita tarkasti, missä ne ovat suhteessa pintaan. Mutta kun spinit ovat vain yhdellä atomitasolla, voit ottaa käyttöön monia uusia toimintoja”, toteaa tutkimusta vetänyt Lee Bassett.

Voit sijoittaa yksittäisiä spinejä eri paikkoihin ja saada ne kommunikoimaan keskenään. Tai voidaan sijoittaa spinit yhteen materiaalikerrokseen ja liittää 2D-magneettikerros niiden päälle ja saada ne vuorovaikutukseen keskenään.

Nanoteknologian kehittyessä Bassett ja hänen kollegansa pyrkivät tuottamaan ja valitsemaan laajemman 2D-materiaalien kirjaston, joka olisi kuin litteä timantti.

Timantin tavoin heksagonaalinen boorinitridi on suuren kaistaeron puolijohde ja sitä käytetään jo laajalti dielektrisenä kerroksena 2D-elektroniikassa.

Bassett ja hänen kollegansa keskittyivät hyvin karakterisoituun boorinitridiin tai h-BN:iin ja yhteen sen vähemmän ymmärretyistä näkökohdista: sen hunajakennohilan vikakohtiin, jotka voivat emittoida valoa.

Tämä valon emittoiminen on jo aikaisemmin tunnettu seikka mutta Bassettin ryhmä on ensimmäinen, joka osoittaa, että joidenkin vikakohtien säteilevän valon intensiteetti muuttuu magneettikentän vasteena. Se on signaali, jota voitaneen käyttää kubittina.

Kvanttitietokoneen kubittien lisäksi uusi 2D-rakenne mahdollistaa muut mahdolliset sovellukset, jotka riippuvat läheisyydestä.

”Kvanttijärjestelmät ovat erittäin herkkiä ympäristöilleen, minkä vuoksi ne ovat niin vaikeasti eristettäviä ja hallittavia”, Bassett sanoo. ”Mutta kääntöpuoli on, että voit käyttää tätä herkkyyttä uudenlaisten anturien tekemiseen.

Periaatteessa nämä pienet spin pyörähdykset voivat olla miniatuurisia ydinmagneettisia resonanssi-ilmaisimia, kuten sellaisia, joita käytetään MRI-laitteissa, mutta joilla olisi kyky toimia yksittäisellä molekyylillä.

Tällöin 2D-kvanttianturit voisivat mitata yksittäisten molekyylien rakennetta ja sisäistä dynamiikkaa esimerkiksi kemiallisten reaktioiden ja proteiinien taittumisen tutkimiseksi.

Aiheesta aiemmin:

Timantin vikakohdasta kvanttimuisti

Timanttianturi tunnistaa solutason ilmiöitä