Ученые КФУ: вакансия бора поможет исследовать ближние и дальние ядра в двумерных материалах

Ученые Института физики Казанского федерального университета совместно с коллегами из России и Германии изучили спиновые взаимодействия в двумерных (2D) материалах на примере гексагонального нитрида бора (hBN). Исследование, поддержанное Российским научным фондом (проект № 24–12-00151), опубликовано в журнале Applied Physics Letters и отмечено как ключевая публикация выпуска.

Работа посвящена изучению так называемой отрицательно заряженной вакансии бора (VB⁻) — дефекта в кристаллической решетке hBN, лишенной одного атома бора. Этот дефект обладает уникальными квантовыми свойствами: высокой степенью оптически индуцированной спиновой поляризации и длительным временем когерентности. Благодаря этим характеристикам VB-дефекты рассматриваются как перспективные кандидаты для создания кубитов, квантовых сенсоров и спиновой памяти.

Новизна исследования заключается в детектировании и спектроскопическом анализе ядерных спинов атомов, находящихся на значительном расстоянии от VB-дефекта — около 0,4 нанометра. Впервые для системы «VB-дефект – ядерные спины решетки hBN» были зафиксированы сигналы ядерного магнитного резонанса от удалённых атомов азота. Это позволило ученым точно определить их расположение в кристаллической решетке и описать характер взаимодействия с электронным спином вакансии.

Эксперименты проводились в лаборатории магнитной радиоспектроскопии и квантовой электроники им. С.А. Альтшулера КФУ. Ученые использовали методы импульсной спектроскопии электронного парамагнитного резонанса и двойного электронно-ядерного резонанса на частоте 94 ГГц, а также квантово-химическое моделирование в рамках теории функционала плотности (DFT).

Как отметил научный сотрудник КФУ Фадис Мурзаханов, полученные результаты важны не только для фундаментального понимания спиновой физики в двумерных материалах, но и для практического применения:

Разрывая данное слабое взаимодействие, удается получать материалы, являющиеся предельным коденсированным состоянием вещества – двумерный слой толщиной в один атом. Одним из самых перспективных представителей этой группы является гексагональный нитрид бора (hBN), называемый еще «белым графеном» благодаря своей кристаллографической схожести с классическим графеном, – рассказал пресс-службе КФУ научный сотрудник. – Уникальной возможностью для квантовых технологий оказалось открытие в этом материале такого дефекта как отрицательно заряженная вакансия бора (VB-) – отсутствующий атом бора в двумерной плоскости гибридизованных атомов азота и бора. Данный дефект обладает триплетным электронным спиновым состоянием, демонстриует рекордно высокую степень оптически индуцированной спиновой поляризации близкую к 100 процентам при комнатной температуре, выдающиеся времена спиновой когерентности поляризованной спиновой системы в диапазоне десятка микросекунд. Эти свойства кубита на базе VB- дефекта легли в основу разработок наноразмерных квантовых сенсоров магнитных полей, температуры, давления и прочих физических параметров. Так же 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.

От КФУ в международный коллектив вошли директор Института физики Марат Гафуров, доценты Георгий Мамин и Ирина Грачева, Фадис Мурзаханов и инженер Екатерина Дмитриева, которая подчеркнула соответствие экспериментальных данных результатам моделирования, что подтверждает надежность методики и интерпретации.

Исследование демонстрирует, что двумерные vdW-материалы, такие как hBN, могут стать основой для квантовых платформ будущего, способных манипулировать отдельными спинами и считывать информацию на наноуровне.

Источник: Минобрнауки РФ
Фото: КФУ