Erfassung und Steuerung der mikroskopischen Spindichte in Materialien

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Elektronische Geräte nutzen normalerweise die Ladung von Elektronen, aber der Spin – ihr anderer Freiheitsgrad – wird zunehmend ausgenutzt. Spindefekte machen kristalline Materialien äußerst nützlich für quantenbasierte Geräte wie ultraempfindliche Quantensensoren, Quantenspeichergeräte oder Systeme zur Simulation der Physik von Quanteneffekten. Die Variation der Spindichte in Halbleitern kann zu neuen Eigenschaften in einem Material führen – etwas, das Forscher schon lange erforschen wollten –, aber diese Dichte ist normalerweise flüchtig und schwer fassbar und daher lokal schwer zu messen und zu kontrollieren.

Nun hat ein Forscherteam am MIT und anderswo einen Weg gefunden, die Spindichte in Diamant durch die Anwendung eines externen Laser- oder Mikrowellenstrahls um den Faktor zwei zu verändern. Der Befund, über den diese Woche in der Fachzeitschrift PNAS berichtet wurde, könnte viele neue Möglichkeiten für fortschrittliche Quantengeräte eröffnen, sagen die Autoren. Das Papier ist eine Zusammenarbeit zwischen aktuellen und ehemaligen Studenten der Professoren Paola Cappellaro und Ju Li am MIT und Mitarbeitern am Politecnico in Mailand. Der Erstautor der Arbeit, Guoqing Wang PhD '23, arbeitete an seiner Doktorarbeit in Cappellaros Labor und ist jetzt Postdoc am MIT.

Eine spezielle Art von Spindefekten, die als Stickstoff-Leerstellen-Zentrum (NV) in Diamant bekannt ist, ist eines der am besten untersuchten Systeme und kann in einer Vielzahl von Quantenanwendungen eingesetzt werden. Der Spin von NV-Zentren reagiert empfindlich auf physikalische, elektrische oder optische Störungen, was sie zu potenziell hochempfindlichen Detektoren macht. „Festkörperspindefekte sind eine der vielversprechendsten Quantenplattformen“, sagt Wang, auch weil sie unter Umgebungsbedingungen und Raumtemperatur funktionieren können. Viele andere Quantensysteme erfordern ultrakalte oder andere spezielle Umgebungen.

„Die nanoskaligen Sensorfähigkeiten von NV-Zentren machen sie vielversprechend für die Untersuchung der Dynamik in ihrer Spinumgebung und manifestieren eine reichhaltige Quanten-Vielteilchenphysik, die noch verstanden werden muss“, fügt Wang hinzu. „Ein großer Spindefekt in der Umgebung, das sogenannte P1-Zentrum, kann normalerweise 10 bis 100 Mal häufiger vorkommen als das NV-Zentrum und kann daher stärkere Wechselwirkungen aufweisen, was sie ideal für die Untersuchung der Vielteilchenphysik macht.“

Um ihre Wechselwirkungen abzustimmen, müssen Wissenschaftler jedoch in der Lage sein, die Spindichte zu ändern, was bisher selten gelungen ist. Mit diesem neuen Ansatz sagt Wang: „Wir können die Spindichte so einstellen, dass sie einen potenziellen Knopf zur tatsächlichen Abstimmung eines solchen Systems bietet.“ Das ist die zentrale Neuerung unserer Arbeit.“

Ein solches abstimmbares System könnte flexiblere Möglichkeiten zur Untersuchung der Quantenhydrodynamik bieten, sagt Wang. Kurzfristig lässt sich das neue Verfahren auf einige bestehende nanoskalige Quantensensorgeräte anwenden, um deren Empfindlichkeit zu verbessern.

Li, der eine gemeinsame Position in den MIT-Abteilungen für Nuklearwissenschaft und -technik sowie Materialwissenschaft und -technik innehat, erklärt, dass die heutigen Computer und Informationsverarbeitungssysteme alle auf der Kontrolle und Erkennung elektrischer Ladungen basieren, aber einige innovative Geräte beginnen, davon Gebrauch zu machen der Eigenschaft namens Spin. Das Halbleiterunternehmen Intel experimentiert beispielsweise mit neuartigen Transistoren, die Spin und Ladung koppeln und möglicherweise den Weg zu Geräten ebnen, die auf Spintronik basieren.

„Herkömmliche CMOS-Transistoren verbrauchen viel Energie“, sagt Li, „aber wenn man Spin nutzt, wie in diesem Intel-Design, kann man den Energieverbrauch erheblich reduzieren.“ Das Unternehmen hat auch Solid-State-Spin-Qubit-Geräte für Quantencomputer entwickelt, und „Spin ist etwas, was Menschen in Festkörpern kontrollieren wollen, weil er energieeffizienter ist und außerdem ein Träger von Quanteninformationen ist.“

In der Studie von Li und seinen Kollegen ermöglicht das neu erreichte Maß an Kontrolle über die Spindichte, dass jedes NV-Zentrum wie eine Art „Radar“ auf atomarer Ebene agiert, das die Spins in der Nähe sowohl erfassen als auch steuern kann. „Wir nutzen grundsätzlich einen bestimmten NV-Defekt, um die umgebenden elektronischen und nuklearen Spins zu erfassen. Dieser Quantensensor enthüllt die nahegelegene Spinumgebung und wie diese dynamisch durch den Ladungsfluss beeinflusst wird, der in diesem Fall durch den Laser aufgepumpt wird“, sagt Li.

Dieses System ermögliche es, die Spinkonzentration dynamisch um den Faktor zwei zu verändern, sagt er. Dies könnte letztendlich zu Geräten führen, bei denen ein einzelner Punktdefekt oder ein einzelnes Atom die grundlegende Recheneinheit sein könnte. „Auf lange Sicht können ein einzelner Punktdefekt und der lokalisierte Spin und die lokalisierte Ladung auf diesem einzelnen Punktdefekt eine Rechenlogik sein. Es kann ein Qubit sein, es kann ein Speicher sein, es kann ein Sensor sein“, sagt er.

Er fügt hinzu, dass noch viel zu tun sei, um dieses neu entdeckte Phänomen zu entwickeln. „Wir sind noch nicht ganz am Ziel“, sagt er, aber was sie bisher gezeigt haben, zeigt, dass sie „die Messung und Kontrolle des Spin- und Ladungszustands von Punktdefekten wirklich auf ein beispielloses Niveau gebracht haben.“ Ich denke also, dass dies auf lange Sicht dazu beitragen würde, einzelne Defekte oder eine kleine Anzahl von Defekten als Informationsverarbeitungs- und Sensorgeräte zu nutzen.“

In dieser bisherigen Arbeit, sagt Wang, „finden wir dieses Phänomen und demonstrieren es“, es sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich, um den physikalischen Mechanismus dessen, was in diesen Systemen geschieht, vollständig zu verstehen. „Unser nächster Schritt besteht darin, tiefer in die Physik einzutauchen, deshalb möchten wir besser wissen, welcher physikalische Mechanismus hinter den beobachteten Effekten steckt.“ Langfristig „hoffen wir, mit einem besseren Verständnis dieser Systeme weitere Quantensimulations- und Sensorideen zu erforschen, wie etwa die Simulation interessanter Quantenhydrodynamik und sogar den Transport von Quanteninformationen zwischen verschiedenen Spindefekten.“

Möglich wurden die Ergebnisse zum Teil durch die Entwicklung eines neuen Weitfeld-Bildgebungsaufbaus durch das Team, der es ihnen ermöglicht, mithilfe eines schnellen Einzelphotonendetektorarrays in Kombination mit einem Mikroskop viele verschiedene räumliche Orte innerhalb des kristallinen Materials gleichzeitig zu messen. „Wir sind in der Lage, die Dichteverteilung über verschiedene Spinspezies wie einen Fingerabdruck und die Ladungstransportdynamik räumlich abzubilden“, obwohl diese Arbeit noch vorläufig ist, sagt Wang.

Obwohl ihre Arbeit mit im Labor gezüchtetem Diamant durchgeführt wurde, könnten die Prinzipien auf andere kristalline Festkörperdefekte angewendet werden, sagt er. NV-Zentren in Diamant sind für die Forschung attraktiv, da sie bei Raumtemperatur verwendet werden können und bereits gut untersucht wurden. Aber Silizium-Leerstellenzentren, Donatoren in Silizium, Seltenerdionen in Festkörpern und andere Kristallmaterialien können unterschiedliche Eigenschaften haben, die sich für bestimmte Arten von Anwendungen als nützlich erweisen könnten.

„Mit fortschreitender Informationswissenschaft werden die Menschen schließlich in der Lage sein, die Positionen und die Ladung einzelner Atome und Defekte zu kontrollieren. Das ist die langfristige Vision“, sagt Li. „Wenn jedes Atom unterschiedliche Informationen speichern kann, ist die Fähigkeit zur Informationsspeicherung und -verarbeitung viel größer“ im Vergleich zu bestehenden Systemen, bei denen sogar ein einzelnes Bit in einer magnetischen Domäne vieler Atome gespeichert wird. „Man kann sagen, es ist die ultimative Grenze des Mooreschen Gesetzes: schließlich geht es auf einen Defekt oder ein Atom zurück.“

Während einige Anwendungen möglicherweise viel mehr Forschung erfordern, um sie auf ein praktisches Niveau zu bringen, können die neuen Erkenntnisse bei einigen Arten von Quantensensorsystemen schnell in reale Anwendungen umgesetzt werden, sagt Wang. „Auf Basis unserer Ergebnisse können wir die Leistung der Quantensensoren sofort verbessern“, sagt er.

„Insgesamt ist dieses Ergebnis sehr spannend für das Gebiet der Spindefekte in Festkörpern“, sagt Chong Zu, Assistenzprofessor für Physik an der Washington University in St. Louis, der sich auf Quanteninformation spezialisiert hat, aber nicht an dieser Arbeit beteiligt war. „Insbesondere stellt es einen leistungsstarken Ansatz zur Nutzung der Ladungsionisationsdynamik zur kontinuierlichen Abstimmung der lokalen Spindefektdichte vor, was im Zusammenhang mit Anwendungen von NV-Zentren für Quantensimulation und -erfassung wichtig ist.“

Zum Forschungsteam gehörten Changhao Li, Hao Tang, Boning Li, Francesca Madonini, Faisal Alsallom und Won Kyu Calvin Sun, alle am MIT; Pai Peng an der Princeton University; und Federica Villa am Politecnico de Milano in Italien. Die Arbeit wurde teilweise von der US Defense Advanced Research Projects Agency unterstützt.

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