03.03.2020

Bornitrid mit Spinzentren

Erstmals ließen sich Spinzentren in einem zweidimensionalen Material experimentell beobachten.

Bornitrid sieht strukturell dem Graphen zwar sehr ähnlich, hat aber völlig andere opto­elektronische Eigenschaften. Seine Bestandteile, die Elemente Bor und Stickstoff, nehmen – wie Kohlenstoff­atome im Graphen – eine wabenartige hexagonale Struktur an. Dabei ordnen sie sich in zweidimensionalen Schichten an, die nur eine Atomlage dick sind. Die einzelnen Schichten sind nur schwach durch Van-der-Waals-Kräfte miteinander verbunden und lassen sich dementsprechend leicht voneinander trennen.
 

Abb.: Atomar dünne Schicht aus Bornitrid mit Spin­zentrum. Mit...
Abb.: Atomar dünne Schicht aus Bornitrid mit Spin­zentrum. Mit Hoch­frequenz­anregung ist es möglich, das Qubit zu initialisieren und zu manipulieren. (Bild: M. Kianinia, U. of Technology Sydney)

Physikern der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) ist es in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Sydney jetzt erstmals gelungen, in einem Bornitrid-Kristall Spinzentren experimentell nachzuweisen. Verantwortlich auf Würzburger Seite daran beteiligt war Vladimir Dyakonov, Inhaber des Lehrstuhls für experimentelle Physik VI (Energieforschung).

Für ihre Experimente haben die Physiker die zweidimensionalen Bornitrid-Gitter mit einem spezifischen Defekt versehen – einer Fehlstehle, an der sich eigentlich ein Bor-Atom befinden müsste. Diese Leerstelle sorgt für einen Spin. Außerdem kann sie Licht absorbieren und emittieren. Um diesen Effekt der Photo­lumineszenz detailliert zu untersuchen, haben die Würzburger Wissenschaftler eine spezielle Methode entwickelt, bei der sowohl ein statisches als auch ein hoch­frequentes Magnetfeld zum Einsatz kommen. 

„Wenn man die Frequenz des Wechselfeldes variiert, trifft man irgendwann genau die Frequenz des Spins, und die Photo­lumineszenz ändert sich dramatisch“, erklärt Dyakonov. Ein bisschen Glück sei dabei allerdings nötig, schließlich lasse sich nicht vorhersagen, bei welchen Frequenzen man nach unbekannten Spin-Zuständen suchen muss. Dyakonov und sein Team hatten diese bisher nur theoretisch vorhergesagten Zentren im Kristall entdeckt. Sie konnten unter anderem die Spin­polarisation, also die Ausrichtung des magnetischen Moments, des Defekts unter optischer Anregung nachweisen – und das sogar bei Raumtemperatur.

Damit werden die Experimente auch für die technische Anwendung interessant: Weltweit arbeiten Wissenschaftler derzeit daran, ein Festkörpersystem zu finden, in dem der Spin-Zustand ausgerichtet, nach Wunsch manipuliert und später optisch oder elektrisch abgefragt werden kann. „Das von uns identifizierte Spin-Zentrum in Bornitrid erfüllt diese Anforderungen“, erklärt Dyakonov. Weil es einen Spin besitzt, Licht absorbiert und emittiert, biete es sich als Quantenbit an zum Einsatz in der Quanten­sensorik und der Quanteninformation. Auch neue Navigations­technik könnte mit dieser Technik arbeiten, weshalb Raumfahrt­agenturen wie DLR und NASA intensiv an diesem Thema forschen.

Für den Grundlagenforscher ist das Material noch unter einem anderen Gesichtspunkt spannend. Seine sehr spezielle Schichtstruktur, kombiniert mit der nur schwachen Bindung der Schichten untereinander, bietet die Möglichkeit, verschiedene Stapelfolgen aus unterschiedlichen Halbleitern zu konstruieren. „Platziert man dann einen Defekt, eine Spinsonde, in einer dieser Schichten, kann dies dabei helfen, die Eigenschaften der angrenzenden Schichten zu verstehen, aber auch die physikalischen Eigenschaften des gesamten Stapels zu verändern“, so Dyakonov.

In einem nächsten Schritt wollen Dyakonov und seine Mitarbeiter deshalb unter anderem Heterostrukturen herstellen, die aus mehr­schichtigen Halbleitern mit einer Bornitrid-Schicht als Zwischenlage aufgebaut sind. Sie sind überzeugt davon: „Wenn die atomar dünnen Schichten des Bornitrids, die mit einzelnen Spinzentren ‚dekoriert‘ sind, erzeugt und in eine Hetero­struktur eingebaut werden können, wird es möglich sein, die Eigenschaften von künstlichen zwei­dimensionalen Kristallen, ähnlich wie mit Lego-Bausteinen, zu designen und untersuchen“.

JMU / DE
 

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