Une équipe de scientifiques internationaux cherchant à contrôler le spin des impuretés atomiques dans les matériaux 2D a observé pour la première fois la dépendance de l'énergie de l'atome vis-à-vis d'un champ magnétique externe.

Les résultats de l'étude, Publié dans Matériaux naturels , intéressera à la fois les groupes de recherche académiques et industriels travaillant sur le développement des futures applications quantiques, disent les chercheurs.

Des scientifiques de l'Université de technologie de Sydney (UTS), l'Université de Wurtzbourg, l'Université fédérale de Kazan et l'Universidade Federal de Minas Gerais, a démontré la capacité de contrôler le spin des impuretés de type atomique dans le matériau 2-D hexagonal nitrure de bore. En combinant l'excitation laser et micro-ondes, les chercheurs ont pu changer les états de spin, par exemple "haut" à "bas", d'impuretés atomiques hébergées dans le matériau et montrent la dépendance de leur énergie vis-à-vis d'un champ magnétique externe.

C'est la première fois que le phénomène est observé dans un matériau constitué d'une seule feuille d'atomes comme le graphène. Les chercheurs disent que ces propriétés de spin-optique quantique nouvellement démontrées, combiné à la facilité d'intégration avec d'autres matériaux et appareils 2D, établit le nitrure de bore hexagonal comme un candidat intrigant pour le matériel de technologie quantique avancée.

"Les cristaux atomiques 2D sont actuellement parmi les matériaux les plus étudiés en physique de la matière condensée et en science des matériaux, " dit le physicien de l'UTS, le Dr Mehran Kianinia, un co-auteur de l'étude.

"Leur physique est intrigante d'un point de vue fondamental, mais au delà, on peut penser à empiler différents cristaux 2D pour créer des matériaux complètement nouveaux, hétérostructures et dispositifs aux propriétés spécifiques du concepteur, " il dit.

Chercheur UTS, Dr Carlo Bradac, un co-auteur principal de l'étude dit qu'en plus d'ajouter une autre propriété unique, à une gamme de propriétés déjà impressionnante pour un matériau 2D, la découverte a un énorme potentiel pour le domaine de la détection quantique.

"Ce qui m'excite vraiment, c'est le potentiel [dans le contexte de la détection quantique]. Ces spins sont sensibles à leur environnement immédiat. Contrairement aux solides 3D, où le système atomique peut être aussi loin que quelques nanomètres de l'objet au sens, ici, la rotation contrôlable est juste à la surface. Notre espoir est d'utiliser ces spins individuels comme de minuscules capteurs et cartes, avec une résolution spatiale sans précédent, variations de température, ainsi que des champs magnétiques et électriques sur les variations de spin », explique le Dr Bradac.

"Imaginer, par exemple, être capable de mesurer de minuscules champs magnétiques avec des capteurs aussi petits que des atomes isolés. Les possibilités sont vastes et vont de la spectroscopie par résonance magnétique nucléaire pour le diagnostic médical à l'échelle nanométrique et la chimie des matériaux à la navigation sans GPS utilisant le champ magnétique terrestre, " il dit.

Cependant, la magnétométrie nanométrique à base quantique n'est « qu'un domaine où le contrôle des spins uniques dans les solides est utile », déclare l'auteur principal de l'étude, le professeur Igor Aharonovich.

"Au-delà de la détection quantique, de nombreuses applications d'informatique quantique et de communication quantique reposent sur notre capacité à contrôler l'état de spin-zéro, un et n'importe quoi entre les deux - des systèmes de type atome unique dans des matériaux hôtes solides. Cela nous permet d'encoder, stocker et transférer des informations sous forme de bits quantiques ou de qubits, " il dit.