量子传感器技术材料新势力：“氮化硼”展现独特优势

量子传感器技术材料新势力：“氮化硼”展现独特优势

量子传感器技术是当前科技领域的研究热点之一。近日，德国Julius-Maximilians-Universität (JMU) Wuerzburg物理研究所团队在氮化硼材料上取得重要突破，成功制造出自旋缺陷（qubits）并实现室温下的一致性控制。这一成果为量子传感器技术的发展开辟了新的可能性。

氮化硼是一种技术上有趣的材料，因为它与其他二维晶体结构非常兼容。因此，它开辟了通往人工异构或建立在其上的具有根本性新特性的电子器件的道路。

大约一年前，德国巴伐利亚州Julius-Maximilians-Universität (JMU)Wuerzburg物理研究所的一个团队成功地在氮化硼的分层晶体中制造了自旋缺陷，也就是所谓的qubits，并通过实验对其进行了识别。

最近，由Vladimir Dyakonov教授、他的博士生Andreas Gottscholl和组长PD Dr. Andreas Sperlich领导的团队成功地迈出了重要的下一步：这种自旋缺陷的一致性控制，而且即使在室温下也是如此。研究人员在具有影响力的《科学进展》杂志上报告了他们的发现。尽管大流行，但这项工作是在与澳大利亚悉尼科技大学和加拿大特伦特大学的小组进行密集的国际合作中进行的。

Vladimir Dyakonov解释说："我们希望，一旦将具有可控自旋缺陷的材料用于传感器，就可以更精确地测量局部电磁场，这是因为，根据定义，它们处于需要绘制的周围世界的边界。可以想象的应用领域是医学成像、导航、任何需要对电磁场进行非接触式测量的地方，或者信息技术。"

"研究界为此寻找最佳材料的工作还没有完成，但有几个潜在的候选者，我们相信我们找到了一个新的候选人，由于其平面几何形状而脱颖而出，这为电子学提供了最佳的集成可能性。"Andreas Sperlich补充道。

自旋相干时间的限制被巧妙地克服了。

JMU的研究人员计划实现这样一种堆叠结构。它由金属石墨烯（底部）、绝缘氮化硼（中间）和半导体二硫化钼（顶部）组成。红点象征着其中一个氮化硼层中的单自旋缺陷。该缺陷可以作为堆栈中的局部探针。资料来源：Andreas Gottscholl/维尔茨堡大学。

氮化硼的所有自旋敏感实验都是在JMU进行的。"我们能够测量自旋相干时间的特征，确定它们的极限，甚至巧妙地克服了这些极限。"博士生、该出版物的第一作者Andreas Gottscholl高兴地说。自旋相干时间的知识对于估计自旋缺陷在量子应用中的潜力是必要的，而长相干时间是非常理想的，因为人们最终想要进行复杂的操作。

Gottscholl用简化的语言解释了这个原理。想象一个绕轴旋转的陀螺仪。我们已经成功地证明了这种微型陀螺仪存在于氮化硼层中。而现在，我们已经展示了如何控制陀螺仪，即，例如，在甚至不接触陀螺仪的情况下，使其偏转任何角度，最重要的是，控制这种状态。

相干时间对相邻原子层反应敏感

通过脉冲高频电磁场--共振微波，实现了对 "陀螺仪"（自旋状态）的非接触式操纵。JMU的研究人员还能够确定 "陀螺仪 "保持新方向的时间。严格来说，这里的偏转角度应该被看作是一个简化的说明，说明一个qubit可以承担许多不同的状态，而不是像比特一样只有0和1。

这和传感器技术有什么关系呢？晶体中直接的原子环境会影响被操纵的自旋状态，并能大大缩短其相干时间。"我们能够证明相干性对与最近的原子和原子核的距离、对磁性杂质、对温度和磁场的反应是多么的极其敏感，因此，可以通过测量相干时间来推断出qubit的环境。"Andreas Sperlich解释说。

JMU团队的下一个目标是实现由不同材料制成的人工堆积二维晶体，包括自旋态组件。后者的基本构件是原子薄的氮化硼层，包含具有可访问自旋状态的光学活性缺陷。

"如果能在二维器件中不仅以光学方式控制自旋缺陷及其周围环境，而且通过电流来控制自旋缺陷，这将是特别有吸引力的。这是一个全新的领域。"Vladimir Dyakonov说。