1728981419
2024-10-15 08:19:00
インサイダーブリーフ
- アルゴンヌ国立研究所とノーザンイリノイ大学の研究者らは、光を使用してペロブスカイト材料内の電子スピンを検出および制御する方法を開発し、量子センサーやコンピューターなどの量子技術応用を前進させる可能性がある。
- ペロブスカイト材料にネオジムを導入することで、科学者たちは励起子の寿命を延長し、電子スピンを観察および制御するためのプローブとしてネオジムを使用しました。これは新しい量子デバイスにつながる可能性があります。
- この研究は、複数の電子スピンを絡み合わせる材料を作成するための有望なアプローチを提供し、量子コンピューティング用のより効率的な量子ビット材料を可能にする可能性があります。
- 話： アルゴンヌ国立研究所。量子センシングに使用される新しい半導体材料における励起子の形成を示す図 (Ellen Weiss/アルゴンヌ国立研究所)。
プレスリリース — 多くの科学者が、量子技術での使用の可能性を目指してさまざまな材料を研究しています。これらの材料中の原子の重要な特徴の 1 つはスピンと呼ばれます。科学者は、原子スピンを制御して、スピントロニクスとして知られる新しいタイプの材料を開発したいと考えています。これらは、超高精度測定のためのメモリデバイスや量子センサーなどの先進技術で使用される可能性があります。
最近の画期的な進歩として、米国エネルギー省 (DOE) のアルゴンヌ国立研究所と北イリノイ大学の研究者は、光を使用してペロブスカイトと呼ばれる材料の種類 (特に、この研究ではヨウ化メチルアンモニウム鉛、またはMAPbI3)。ペロブスカイトには、太陽電池パネルから 量子 テクノロジー。
スピンを理解するには、原子核の周りを回る電子を考えてみましょう。原子が互いに近づくと、外側の電子の一部を共有することができ、原子間に結合が形成されます。各結合には 2 つの電子が含まれており、「対」になっています。これは、電子が軌道、つまり電子が移動する領域を共有していることを意味します。
さて、これらの電子対はそれぞれ、アップスピンまたはダウンスピンという 2 つの可能なスピン状態のいずれかを持ちます。 1 つの電子が上向きスピンであれば、もう 1 つは下向きスピンになります。どの電子がどのスピンを持っているかは、実際に見なければ正確に知ることができないため、電子は量子重ね合わせ、つまり観測されるまでスピンアップとスピンダウンの両方を行っている状態で存在すると言えます。
「ネオジムの濃度を励起子の濃度に合わせて調整することで、最終的にはネオジムを励起子のスピンの一種のプローブとして使用することができます。」 — ソー・ワイ・フラ、アルゴンヌの物理学者
これは、量子コンピューティングで使用されるのと同じ概念です。量子ビット (qubit) は、どちらか一方のみである古典的なビットとは異なり、0 と 1 の両方を同時に表すことができます。これにより、量子コンピューターは、ある意味で通常のコンピューターよりもはるかに強力になります。
電子スピンの特定と制御は、コンピューターやセンサーなどの量子デバイスを作成するための鍵となります。
研究では、研究者らは光を使用して、ペロブスカイト材料内の 2 つの電子対のうちの 1 つを励起しました。これにより、電子がより高いエネルギーレベルに移動し、より低いエネルギーレベルに「正孔」が残りました。この 1 つの励起電子と 1 つの正孔のペアは励起子と呼ばれます。
励起子は、光からのエネルギーが電位エネルギーに変換されるときに形成されます。通常、励起子は長くは続かない。励起された電子は最終的にはホールに落ち、再結合と呼ばれるプロセスで光を放出するからである。 MAPbI3 では、このような励起子は通常、わずか数十ナノ秒しか持続しません。
北イリノイ大学のタオ・シュー教授率いる研究グループは、励起子の寿命を10倍以上延長する方法を発見した。彼らは、ネオジムと呼ばれる希土類金属を材料に添加することでこれを実現しました。ネオジムはその外側の軌道に不対電子を持っているため、励起子の電子と相互作用するのに適した候補となります。
励起子内でより高い軌道に促進された電子は、最終的にネオジム原子内の軌道を部分的に占有することになります。これにより、ネオジム原子内に局在化したスピンによるスピンもつれ状態が形成されます。ネオジム内の絡み合った電子は、ペロブスカイト内のパートナー電子と依然として接続されています。たとえ離れていても、互いに通信することができ、科学者に材料に関する有用な情報を提供し、量子センシングに使用できる可能性があります。
この研究の共著者であるアルゴンヌの物理学者ソー・ワイ・フラ氏は、「ネオジムをプローブとして利用して励起子のスピンを観察することができる」と述べた。
「重要な点は、励起子のネオジム原子との相互作用を通じて、励起子の個々の電子と通信できるということです。通常、これらの電子は崩壊して光を放出するだけなので、これは興味深いことです」と、別の共著者であるアルゴンヌのナノ科学者ベンジャミン・ディロル氏は語った。
Xu氏によると、ネオジムは比較的低い磁場の下で量子センサーとして機能するという。しかし、磁場が強すぎると、ネオジム内のスピンがロックされ、励起子との接続が切れてしまいます。
「興味深いのは、ネオジム濃度を調整することで励起子のスピンを検出できることです。これにより、最大 10 個の電子スピンのもつれが可能になる可能性があり、これは量子コンピューティングにとって非常に興味深い量子ビット材料となるでしょう」と Xu 氏は述べています。
この研究は、アルゴンヌで利用できる多くの高度な科学的能力がなければ不可能でした。研究者らは、DOE科学局のユーザー施設であるアルゴンヌのナノスケール材料センター（CNM）を広範囲に活用した。 CNM では、Hla 氏と Kyaw Zin Latt 氏が走査型トンネル顕微鏡による測定を実施しました。さらに、Christopher Fry は電子常磁性共鳴測定を実施し、Yuzi Liu は透過型電子顕微鏡研究を実施し、John Pearson は磁気測定を実施しました。最後に、ディロールはフォトルミネッセンス分光法の研究を実施し、リチャード・シャラーは結果の解釈と電子メカニズムへの洞察を提供しました。
#光誘起材料はより優れた量子センサーや量子コンピューターの構築に役立つ可能性がある