Skip to content
Home » Boornitride met een twist kan leiden tot een nieuwe manier om qubits te maken

Boornitride met een twist kan leiden tot een nieuwe manier om qubits te maken

    Boornitride met een twist kan leiden tot een nieuwe manier om qubits te maken
    Boornitride met een twist kan leiden tot een nieuwe manier om qubits te maken

    Een elektronenbundel die op een reeks locaties op een vel gedraaid hBN is geplaatst, intensiveert de lichtemissie van elke locatie. De helderheid hangt af van hoe lang de straal op een bepaald punt zit, of de elektronenflux die op dat punt wordt afgeleverd. Het resultaat is een verlicht patroon. Krediet: Su et al. 2022

    Het bereiken van schaalbaarheid in kwantumprocessors, sensoren en netwerken vereist nieuwe apparaten die gemakkelijk kunnen worden gemanipuleerd tussen twee kwantumtoestanden. Een team onder leiding van onderzoekers van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy heeft nu een methode ontwikkeld met behulp van een “gedraaid” kristallijn gelaagd materiaal in vaste toestand, dat aanleiding geeft tot kleine lichtgevende punten die kleurcentra worden genoemd. Deze kleurcentra kunnen worden in- en uitgeschakeld door het eenvoudig aanleggen van een externe spanning.


    “Dit is een eerste stap in de richting van een kleurcentrumapparaat dat ingenieurs zouden kunnen bouwen of aanpassen aan echte kwantumsystemen”, zegt Shaul Aloni, een stafwetenschapper bij Berkeley Lab’s Molecular Foundry, die het onderzoek mede leidde. Het werk is gedetailleerd in het journaal Natuurmaterialen.

    Het onderzoek zou bijvoorbeeld kunnen leiden tot een nieuwe manier om kwantumbits, of qubits, te maken die informatie coderen in kwantumcomputers.

    Kleurcentra zijn microscopisch kleine defecten in een kristal, zoals diamant, die gewoonlijk helder en stabiel licht van een specifieke kleur uitstralen wanneer ze worden geraakt met een laser of een andere energiebron zoals een elektronenstraal. Hun integratie met golfgeleiders, apparaten die licht leiden, kan operaties over een kwantumprocessor verbinden.

    Enkele jaren geleden ontdekten onderzoekers dat kleurcentra in een gesynthetiseerd materiaal genaamd hexagonaal boornitride (hBN), dat vaak wordt gebruikt als smeermiddel of additief voor verven en cosmetica, zelfs helderdere kleuren afgeeft dan kleurcentra in diamant. Maar ingenieurs hebben moeite gehad om het materiaal in toepassingen te gebruiken omdat het moeilijk is om de defecten op een bepaalde locatie te produceren, en ze misten een betrouwbare manier om de kleurcentra aan en uit te zetten.

    Het Berkeley Lab-team lost deze problemen nu op. Cong Su, een postdoc van de onderzoeksgroep onder leiding van Alex Zettl, een facultaire senior wetenschapper bij Berkeley Lab en hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley, onderzocht hoe kleurcentra zich gedroegen in verschillende geavanceerde vormen van hBN. De onderzoekers ontdekten dat twee gestapelde en gedraaide lagen van het materiaal resulteerden in de activering en verbetering van de ultraviolette (UV) emissie van een kleurcentrum, dat kan worden uitgeschakeld wanneer een spanning over de structuur wordt aangelegd.

    “Het is als een sandwich met twee stukken brood, maar de ene draait ten opzichte van de andere”, zegt Zettl. De rotatie tussen de twee lagen activeert de kleurcentra op de interface om extreem helder te worden. De aangelegde spanning stemt vervolgens eenvoudig en omkeerbaar de intensiteit af van helder naar volledig donker, zonder de helften te “unroteren”.

    Aloni’s ontwikkeling van een gemodificeerde elektronenmicroscoop die niet alleen de structuur van het materiaal onderzocht, maar ook het uitgestraalde licht verzamelde voor analyse, bleek de sleutel te zijn voor dit onderzoek. De opstelling gebruikt een elektronenstraal om de kleurcentra te exciteren; de onderzoekers ontdekten ook dat ze de elektronenstraal konden gebruiken om kleurcentra te activeren en patronen, zoals een smiley, op hBN te tekenen.

    “Mensen zappen het materiaal meestal met lasers of ionen, maar we hebben het in plaats daarvan gezapt met een elektronenstraal”, zei Zettl.

    De studie bereikt drie stappen naar realisatie van een schaalbaar kwantumapparaat. Ten eerste kunnen de UV-kleurcentra in hBN op betrouwbare wijze worden geactiveerd tot een uitzonderlijke maximale helderheid, door de kristalinterface te draaien. Ten tweede kunnen deze kleurcentra dan geleidelijk en omkeerbaar worden gedimd door een eenvoudige aangelegde spanning. Ten slotte maakt behandeling met elektronenstralen een verdere nauwkeurige ruimtelijke positionering van deze kleurcentra mogelijk.

    Theoretische berekeningen onder leiding van Steven Louie, een facultaire senior wetenschapper bij Berkeley Lab en vooraanstaand hoogleraar natuurkunde aan UC Berkeley, leverden kandidaten voor de atomaire configuratie van het UV-kleurcentrum om te helpen verklaren waarom hun helderheid afhing van de draaihoek. Het lichtemissieproces omvat een geëxciteerd elektron dat ronddwaalt en recombineert met een gat in het kleurcentrum. Maar een typische hBN-structuur heeft veel vallen die de elektronen kunnen vangen, waardoor lichtemissie wordt voorkomen.

    “Het draaien van de kristallagen verwijdert veel van deze vallen, of ‘kwantumparkeerplaatsen’, in de buurt van de interface,” zei Louie.

    Het team is vervolgens van plan om monsters voor te bereiden die atomaire karakterisering mogelijk maken om de specifieke atomaire structuren achter dit mechanisme te lokaliseren en extra controleniveaus toe te voegen.

    “Het werk wijst ons in de richting van nieuwe soorten mechanismen die we kunnen gebruiken om de emissie nog beter te beheersen, en dit is erg belangrijk voor veel toepassingen in de kwantuminformatiewetenschappen”, zegt Aloni.


    Het tijdperk van single-spin kleurcentra in siliciumcarbide nadert


    Informatie:
    Cong Su et al, Tuning kleurcentra op een gedraaid hexagonaal boornitride-interface, Natuurmaterialen (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01303-4

    Geleverd door Lawrence Berkeley National Laboratory

    citaten: Boornitride met een twist kan leiden tot een nieuwe manier om qubits te maken (2022, 6 oktober), opgehaald op 6 oktober 2022 van https://phys.org/news/2022-10-boron-nitride-qubits.html

    Op dit document rust copyright. Afgezien van een eerlijke handel ten behoeve van eigen studie of onderzoek, mag niets worden gereproduceerd zonder schriftelijke toestemming. De inhoud wordt uitsluitend ter informatie verstrekt.