The Signal
I difetti nell’hBN mantengono la coerenza degli spin nucleari fino a 1,44 millisecondi
I ricercatori riferiscono di aver controllato selettivamente i nuclei di boro in diversi gusci attorno ai difetti del nitruro di boro esagonale, misurando tempi di coerenza Hahn-echo compresi tra 0,33 e 1,44 millisecondi. I risultati descri
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
L’eco degli spin nucleari più lungo misurato nello studio dura 1,44 millisecondi: circa 48 volte il limite superiore di 30 microsecondi dell’intervallo di coerenza degli spin elettronici citato dai ricercatori. In un articolo pubblicato il 26 ottobre su Physical Review Letters, un gruppo di ricerca riferisce che i nuclei di boro attorno ai difetti del nitruro di boro esagonale (hBN) formano gusci bidimensionali distinti e controllabili. La coerenza più breve misurata per un guscio è di 0,33 millisecondi.
Il risultato non dimostra il funzionamento di una memoria quantistica. È una misura della coerenza degli spin nucleari in un materiale la cui struttura stratificata rende distinguibili mediante spettroscopia i gruppi di nuclei vicini: un passo verso lo studio e il controllo di questi gruppi come sistema.
Cinque gusci, cinque tempi di coerenza
I ricercatori hanno esaminato vacanze di boro cariche negativamente, difetti in cui manca un atomo di boro dal reticolo dell’hBN. Con un campo magnetico di 3 tesla, si sono concentrati sui nuclei di boro-11 e hanno usato la spettroscopia di doppia risonanza elettronica-nucleare per identificare gruppi disposti in gusci successivi attorno alla vacanza. I tempi di coerenza Hahn-echo riportati sono di 1,44 millisecondi per B1, 0,93 per B2a, 0,91 per B2b, 0,73 per B3 e 0,33 per B4′.
Queste differenze mostrano che la coerenza dipende dalla posizione del guscio e dalle sue interazioni con gli spin circostanti. Il gruppo più interno, B1, composto da sei nuclei, mantiene la coerenza più a lungo pur avendo le distanze boro-boro più brevi e interazioni dirette più forti all’interno del guscio. Secondo gli autori, la sua separazione spettrale dai nuclei vicini potrebbe prevalere sulle cause di perdita di coerenza di fase.
«In particolare, il guscio B1 a sei siti mostra la coerenza più lunga pur avendo le distanze B-B più brevi e, quindi, le interazioni dipolari nucleari dirette più forti all’interno del guscio.»
G. V. Mamin et al., autori dell’articolo
Un cristallo stratificato distingue i nuclei circostanti
In molti sistemi allo stato solido, lo spin elettronico di un difetto interagisce con un insieme di spin nucleari circostanti. La struttura dell’hBN offre una disposizione diversa: i suoi atomi di boro e azoto si trovano in piani debolmente accoppiati. La spettroscopia e i calcoli del gruppo indicano che la densità di spin elettronico del difetto resta confinata nello strato che contiene il difetto; le interazioni dominanti distribuiscono quindi i nuclei in gusci planari distinti, anziché confonderli in un ampio fondo.
Le evidenze riguardano anche gli altri strati. I nuclei di boro nello strato adiacente mostrano un accoppiamento quadrupolare vicino a quello dell’hBN privo di difetti, indicando che la perturbazione causata dal difetto diminuisce bruscamente attraversando lo spazio tra i piani. Un calcolo per il reticolo bidimensionale ideale rileva che i primi tre gusci di boro nel piano rappresentano il 71,6% del peso totale ideale dell’interazione dipolare iperfine elettrone-nucleo nel piano.
Controllo a 25 kelvin e confronto con altre piattaforme
Il gruppo ha creato difetti in cristalli di hBN spessi circa 150 micrometri irradiandoli con elettroni da 2 milioni di elettronvolt. Ha raccolto misure di risonanza di spin elettronico e di doppia risonanza a 25 kelvin, usando un campo magnetico di 3 tesla. Impulsi a radiofrequenza hanno indotto oscillazioni degli spin nucleari, mentre una sequenza di eco degli spin nucleari ha misurato per quanto tempo gli spin dei gusci mantenevano la coerenza.
Il tempo misurato di perdita di coerenza di fase dovuta alla disomogeneità, T2n*, si attesta intorno ai 100 microsecondi; i valori Hahn-echo più lunghi si ottengono rifocalizzando parte di questa perdita. Gli autori affermano che i tempi di eco sono paragonabili a quelli dei punti quantici III–V, ma inferiori ai tempi delle memorie a spin nucleare nei sistemi di silicio diluito, diamante e carburo di silicio. Superano inoltre le dinamiche su scala di microsecondi nel nucleo del difetto riportate in precedenza a temperatura ambiente, sebbene le misure attuali siano state effettuate a 25 kelvin.
Che cosa dimostrano le misure e che cosa resta da chiarire
Il lavoro dimostra il controllo coerente selettivo dei gusci in questo sistema di difetti nell’hBN, non una memoria o un processore completi. Gli autori propongono di estendere il modello dei gusci ad altri isotopi dell’hBN e indicano come possibili direzioni la polarizzazione nucleare dinamica e gli stati correlati di cluster nucleari. Restano prospettive future; gli esperimenti riportati dimostrano la presenza di gusci distinguibili e una coerenza dell’eco su scala di millisecondi.
La dichiarazione sulla disponibilità dei dati dell’articolo afferma che non sono pubblicamente disponibili dati di ricerca o software a supporto del manoscritto e invita a rivolgere le richieste agli autori. Per ora, il benchmark riportato consiste in cinque gusci di boro distinguibili, con tempi Hahn-echo misurati compresi tra 0,33 e 1,44 millisecondi.