Сотрудники Казанского федерального университета, Сиднейского технологического университета и Вюрцбургского университета применили методы оптической и микроволновой спектроскопии — ЯМР и ЭПР — и показали возможность оптической поляризации и считывания электронных спиновых центров окраски в нитриде бора.

Исследование опубликовано в журнале Nature Materials.

Принцип работы магнитно-резонансного томографа основан на явлении ядерного магнитного резонанса. Магнитные моменты, связанные с ядерными спинами протонов и углерода-13, играют роль сенсоров, которые позволяют получать довольно точные изображения органов человеческого тела. Методы управления и считывания квантовых спиновых состояний также можно использовать в квантовых технологиях, бурное развитие которых наблюдается с середины прошлого века.

Одно из перспективных направлений развития в этой области — использование кристаллических матриц с оптически активными спиновыми центрами, которые позволяют переводить электронные и ядерные спиновые состояния в квант света. Исследовательским группам по всему миру уже удалось создать приборы квантовой криптографии, квантовые сенсоры субмикронного пространственного разрешения. Для этого они использовали трехмерные кристаллы, такие как алмаз или карбид кремния. Однако сегодня ученые стараются перейти от объемных к двумерным кристаллам с ван-дер-ваальсовым взаимодействием.

«В отличие от 3D-кристаллов, атомы в таких материалах связаны прочными плоскостно-тригональными связями, а сами слои слабо взаимодействуют с помощью межмолекулярных ван-дер-ваальсовых взаимодействий. При разрыве этих слабых связей можно получать материалы толщиной всего в один атом», — рассказывает один из исследователей, доцент института физики КФУ и ведущий научный сотрудник НИЛ «Реологические и термохимические исследования» Сергей Орлинский.

При комнатной температуре исследователи научились контролировать заселенности оптически поляризованных триплетов спинового центра и предложили его микроскопическую модель — отрицательно заряженную вакансию бора. Результаты показывают, что материалы с ван-дер-ваальсовым взаимодействием могут использоваться в качестве новой платформы для развития квантовых технологий на атомарном масштабе.