Bornitrid med en vri kan føre til en ny måte å lage qubits på

Å oppnå skalerbarhet i kvanteprosessorer, sensorer og nettverk krever nye enheter som enkelt kan manipuleres mellom to kvantetilstander. Et team ledet av forskere fra Department of Energy’s Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) har nå utviklet en metode, ved bruk av et solid-state “vridd” krystallinsk lagdelt materiale, som gir opphav til bittesmå lysavgivende punkter kalt fargesentre. Disse fargesentrene kan slås av og på med enkel påføring av en ekstern spenning.

“Dette er et første skritt mot en fargesenterenhet som ingeniører kan bygge eller tilpasse inn i ekte kvantesystemer,” sa Shaul Aloni, en stabsforsker ved Berkeley Labs Molecular Foundry, som ledet studien. Arbeidet er detaljert i journalen Naturmaterialer.

For eksempel kan forskningen føre til en ny måte å lage kvantebiter, eller qubits, som koder for informasjon i kvantedatamaskiner.

Fargesentre er mikroskopiske defekter i en krystall, for eksempel diamant, som vanligvis sender ut sterkt og stabilt lys med spesifikk farge når de blir truffet med laser eller annen energikilde, for eksempel en elektronstråle. Deres integrasjon med bølgeledere, enheter som leder lys, kan koble operasjoner på tvers av en kvanteprosessor.

For flere år siden oppdaget forskere det fargesentre i et syntetisert materiale kalt sekskantet bornitrid (hBN), som vanligvis brukes som smøremiddel eller additiv for maling og kosmetikk, avga enda lysere farger enn fargesentre i diamant. Men ingeniører har slitt med å bruke materialet i applikasjoner fordi det er vanskelig å produsere defektene på et bestemt sted, og de manglet en pålitelig måte å slå fargesentrene på og av.

Berkeley Lab-teamet løser nå disse problemene. Cong Su, en postdoktor fra forskningsgruppen ledet av Alex Zettl, en seniorforsker på fakultetet ved Berkeley Lab og professor i fysikk ved UC Berkeley, undersøkte hvordan fargesentre oppførte seg i forskjellige sofistikerte former for hBN. Forskerne fant at to stablede og vridd lag av materialet resulterte i aktivering og forbedring av ultrafiolett (UV)-utslipp fra et fargesenter, som kan slås av når en spenning påføres over strukturen.

“Det er som et smørbrød med to stykker brød, men det ene roterte i forhold til det andre,” sa Zettl. Rotasjonen mellom de to lagene aktiverer fargesentrene ved grensesnittet til å bli ekstremt lyse. Den påførte spenningen justerer deretter enkelt og reversibelt intensiteten fra lyst til helt mørkt, uten å “avrotere” halvdelene.

Alonis utvikling av et modifisert elektronmikroskop som ikke bare undersøkte materialets struktur, men også samlet det utsendte lyset for analyse, viste seg å være nøkkelen for denne studien. Oppsettet bruker en elektronstråle for å begeistre fargesentrene; forskerne fant også ut at de kunne bruke elektronstrålen til å aktivere fargesentre og tegne mønstre, for eksempel et smilefjes, på hBN.

“Folk zapper vanligvis materialet med lasere eller ioner, men vi har i stedet zappet det med en stråle av elektroner,” sa Zettl.

Studien oppnår tre trinn mot realisering av en skalerbar kvanteenhet. For det første kan UV-fargesentrene i hBN aktiveres pålitelig til eksepsjonell maksimal lysstyrke, ved å vri krystallgrensesnittet. For det andre kan disse fargesentrene gradvis og reversibelt dimmes av en enkel påført spenning. Til slutt, elektronstråle behandling muliggjør ytterligere presis romlig plassering av disse fargesentrene.

Teoretiske beregninger ledet av Steven Louie, en seniorforsker på fakultetet ved Berkeley Lab og fremtredende professor i fysikk ved UC Berkeley, ga kandidater til UV-fargesenterets atomkonfigurasjon for å forklare hvorfor lysstyrken deres var avhengig av vridningsvinkelen. Lysemisjonsprosessen involverer et opphisset elektron som vandrer rundt og rekombinerer med et hull i fargesenteret. Men en typisk hBN-struktur har mange feller som kan fange elektronene og forhindre lysutslipp.

“Å vri krystalllagene fjerner mange av disse fellene, eller “kvanteparkeringsplassene”, nær grensesnittet,” sa Louie.

Teamet har deretter til hensikt å forberede prøver som lar atomkarakterisering finne de spesifikke atomstrukturene bak denne mekanismen og legge til ytterligere kontrollnivåer.

“Arbeidet peker oss i retning av nye typer mekanismer som vi kan bruke for å kontrollere utslippet enda bedre, og dette er veldig viktig for mange applikasjoner innen kvanteinformasjonsvitenskap,” sa Aloni.

---

---