In Diamanten (und anderen halbleitenden Materialien) sind Defekte der beste Freund eines Quantensensors. Das liegt daran, dass Defekte, im Wesentlichen eine aneinandergereihte Anordnung von Atomen, manchmal Elektronen mit einem Drehimpuls oder Spin enthalten, die Informationen speichern und verarbeiten können. Dieser „Spin-Freiheitsgrad“ kann für eine Reihe von Zwecken genutzt werden, beispielsweise zum Erfassen von Magnetfeldern oder zum Aufbau eines Quantennetzwerks.
Forscher unter der Leitung von Greg Fuchs, Ph.D. ’07, Professor für angewandte und technische Physik an der Cornell Engineering, machte sich auf die Suche nach einem solchen Spin im beliebten Halbleiter Galliumnitrid und fand ihn überraschenderweise in zwei unterschiedlichen Arten von Defekten, von denen eine für zukünftige Quantenanwendungen manipuliert werden kann.
Das Papier der Gruppe: „Optisch detektierte magnetische Resonanz einzelner Spins in GaN bei Raumtemperatur,“ wurde veröffentlicht in Naturmaterialien. Der Hauptautor ist der Doktorand Jialun Luo.
Defekte geben Edelsteinen ihre Farbe und werden daher auch als Farbzentren bezeichnet. Rosafarbene Diamanten beispielsweise erhalten ihren Farbton durch Defekte, sogenannte Stickstoff-Leerstellenzentren. Es gibt jedoch viele Farbzentren, die selbst in häufig verwendeten Materialien noch identifiziert werden müssen.
„Galliumnitrid ist im Gegensatz zu Diamant ein ausgereifter Halbleiter. Es wurde für die Hochfrequenzelektronik mit großer Bandlücke entwickelt, und das war über viele, viele Jahre hinweg eine sehr intensive Anstrengung“, sagte Fuchs. „Sie können einen Wafer davon kaufen; er befindet sich wahrscheinlich in Ihrem Computer-Ladegerät oder Ihrem Elektroauto. Aber als Material für Quantendefekte ist es noch nicht sehr erforscht.“
Um nach dem Spinfreiheitsgrad in Galliumnitrid zu suchen, schlossen sich Fuchs und Luo mit Farhan Rana, dem Joseph P. Ripley-Professor für Ingenieurwissenschaften, und der Doktorandin Yifei Geng zusammen, mit der sie das Material zuvor erforscht hatten.
Die Gruppe nutzte konfokale Mikroskopie, um die Defekte mithilfe von Fluoreszenzsonden zu identifizieren, und führte dann eine Vielzahl von Experimenten durch, z. B. die Messung, wie sich die Fluoreszenzrate eines Defekts als Funktion des Magnetfelds ändert, und die Verwendung eines kleinen Magnetfelds, um die Spinresonanzübertragungen des Defekts anzutreiben. alles bei Zimmertemperatur.
„Zu Beginn zeigten die vorläufigen Daten Anzeichen interessanter Spinstrukturen, aber wir konnten die Spinresonanz nicht steuern“, sagte Luo. „Es stellte sich heraus, dass wir die Defektsymmetrieachsen kennen und ein Magnetfeld in der richtigen Richtung anlegen mussten, um die Resonanzen zu untersuchen. Die Ergebnisse brachten uns weitere Fragen mit sich, die darauf warteten, geklärt zu werden.“
Die Experimente zeigten, dass das Material zwei Arten von Defekten mit unterschiedlichen Spinspektren aufwies. In einem Fall war der Spin an einen metastabilen angeregten Zustand gekoppelt; im anderen Fall war es an den Grundzustand gekoppelt.
Im letzteren Fall konnten die Forscher Fluoreszenzänderungen von bis zu 30 % beobachten, wenn sie den Spinübergang ansteuerten – eine große Kontraständerung und relativ selten für einen Quantenspin bei Raumtemperatur.
„Normalerweise hängen Fluoreszenz und Spin nur sehr schwach zusammen. Wenn man also die Spinprojektion ändert, kann sich die Fluoreszenz um 0,1 % oder etwas sehr, sehr Kleines ändern“, sagte Fuchs. „Aus technologischer Sicht ist das nicht so toll, denn man möchte eine große Veränderung, damit man sie schnell und effizient messen kann.“
Anschließend führten die Forscher ein Quantenkontrollexperiment durch. Sie fanden heraus, dass sie den Grundzustandsspin manipulieren konnten und dass er über Quantenkohärenz verfügt – eine Eigenschaft, die es Quantenbits oder Qubits ermöglicht, ihre Informationen zu behalten.
„Das ist etwas ganz Spannendes an dieser Beobachtung“, sagte Fuchs. „Es gibt noch viel grundlegende Arbeit zu tun, und es gibt viel mehr Fragen als es Antworten gibt. Aber die grundlegende Entdeckung des Spins in diesem Farbzentrum, die Tatsache, dass es einen starken Spin-Kontrast von bis zu 30 % aufweist, ist das.“ existiert in einem ausgereiften Halbleitermaterial – das eröffnet alle möglichen interessanten Möglichkeiten, die wir jetzt gerne erkunden möchten.“
Mehr Informationen:
Jialun Luo et al, Bei Raumtemperatur optisch erfasste Magnetresonanz einzelner Spins in GaN, Naturmaterialien (2024). DOI: 10.1038/s41563-024-01803-5