Ученые Института физики Казанского федерального университета совместно с коллегами из Физико-технического института им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Института общей физики им. А.М. Прохорова РАН, а также Падерборнского университета (Германия) приняли участие в международном исследовании, посвященном расширению понимания спиновых взаимодействий VB-дефекта с удаленными ядерными магнитными моментами. Итоги работы, проведенной при поддержке Российского научного фонда, опубликованы в журнале Applied Physics Letters. Статья получила статус ключевой публикации одного из выпусков и была размещена на его обложке.

От КФУ в научный коллектив вошли директор Института физики Марат Гафуров, доцент кафедры квантовой электроники и радиоспектроскопии Георгий Мамин, доцент кафедры общей физики Ирина Грачева, научный сотрудник НИЛ «Перспективные платформы для спиновых квантовых манипуляций» Фадис Мурзаханов и инженер-проектировщик лаборатории Екатерина Дмитриева.

Исследование – из стремительно развивающейся области квантовых технологий, оно основано на оптически поляризуемых спиновых состояниях дефектов в твердотельных кристаллах. Эти дефекты ведут себя подобно изолированным атомам и могут использоваться в качестве квантовых битов (кубитов). На их основе создаются высокочувствительные квантовые сенсоры, вычислительные устройства и системы квантовой связи.

Ранее основное внимание в этой области было сосредоточено на трехмерных (3D) кристаллах, таких как алмаз или карбид кремния, где спиновые центры, в частности азотно-вакансионные (NV), продемонстрировали выдающиеся свойства: длительное время когерентности, возможность оптического считывания и высокую чувствительность к внешним полям, рассказал Ф. Мурзаханов. Однако в последние годы, по его словам, на первый план выходят двумерные (2D) ван-дер-ваальсовые (вдВ) материалы, уникальность которых состоит в том, что они образованы из двумерных слоев, атомы в них связаны прочными ковалентными связями, в то время как сами слои – слабыми силами Вен-дер-Ваальса.

«Разрывая данное слабое взаимодействие, удается получать материалы, являющиеся предельным конденсированным состоянием вещества – двумерный слой толщиной в 1 атом. Одним из самых перспективных представителей этой группы является гексагональный нитрид бора (hBN), называемый еще "белым графеном" благодаря своей кристаллографической схожести с классическим графеном, – ввел в курс дела пресс-службу КФУ научный сотрудник. – Уникальной возможностью для квантовых технологий оказалось открытие в этом материале такого дефекта, как отрицательно заряженная вакансия бора (VB-) – отсутствие атом бора в двумерной плоскости гибридизованных атомов азота и бора. Данный дефект обладает триплетным электронным спиновым состоянием, демонстрирует рекордно высокую степень оптически индуцированной спиновой поляризации, близкую к 100 процентам при комнатной температуре, выдающиеся времена спиновой когерентности поляризованной спиновой системы в диапазоне 10 микросекунд. Эти свойства кубита на базе VB- дефекта легли в основу разработок наноразмерных квантовых сенсоров магнитных полей, температуры, давления и прочих физических параметров. Также VB-дефекты исследуются для создания долгоживущей спиновой памяти на основе связанных электронных спиновых состояний вакансии с ядерными спиновыми состояниями атомов азота и бора решетки hBN и используются в фундаментальных исследованиях многочастичных квантовых эффектов в 2D-материалах».

Целью данной работы стало расширение понимания спиновых взаимодействий VB-дефекта с удаленными ядерными магнитными моментами. Ученые продемонстрировали возможность детектирования и спектроскопического анализа ядерных спинов, удаленных от центра дефекта на значительное расстояние, и охарактеризовали природу их взаимодействий с электронным спином вакансии.

Отметим, что исследование проводилось на базе НИЛ магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера Института физики Казанского федерального университета. В работе использован комплекс современных методов, включая фотоиндуцированную импульсную спектроскопию электронного парамагнитного резонанса и двойной электронно-ядерный резонанс в высокочастотном диапазоне установки (94 гигагерца), дополненные квантово-химическими расчетами в рамках теории функционала плотности.

«Впервые для системы "VB-дефект: ядерные спины решетки hBN" нам удалось продемонстрировать регистрацию дальних магнитных моментов атомов посредством измерения сигналов ядерного магнитного резонанса и идентифицировать эти магнитные моменты как удаленные ядерные спины атомов азота, находящихся приблизительно на расстоянии 0.4 нанометра от вакансии бора в двумерном слое гексагонального нитрида бора. Анализ ориентационной зависимости спектров позволил точно локализовать эти атомы в третьей координационной оболочке и количественно охарактеризовать их сверхтонкие и квадрупольные взаимодействия с электронным спином дефекта. Полученные параметры хорошо согласуются с результатами DFT-расчетов (density functional theory – теория функционала плотности – прим. ред.), что подтверждает корректность интерпретации и надежность экспериментальной методики», – поделилась итогами Екатерина Дмитриева.

Таким образом, результаты исследования закладывают фундамент к созданию нового поколения квантовых устройств – от миниатюрных датчиков, способных детектировать одиночные центры/спины, до сложных вычислительных платформ и спин-фотонных интерфейсов, что найдет свое применение в биомедицинской диагностике, исследованиях новых материалов и разработке квантовых компьютеров. Кроме того, проделанная работа обеспечивает понимание спиновых взаимодействий на дальних расстояниях в атомарно тонких системах, что важно с фундаментальной и практической точки зрения, отметил ученый Института физики КФУ Фадис Мурзаханов.

При частичной или полной перепечатке материала, а также цитировании необходимо ссылаться на пресс-службу КФУ.