Mettendo a punto il rotazione densità in alcuni materiali, i ricercatori potrebbero essere in grado di sviluppare nuovi sensori quantistici o simulazioni quantistiche.
I dispositivi elettronici in genere utilizzano la carica degli elettroni, ma lo spin, l’altro loro grado di libertà, sta iniziando a essere sfruttato.
I difetti di spin rendono i materiali cristallini molto utili per dispositivi quantistici come sensori quantistici ultrasensibili, dispositivi di memoria quantistica o sistemi per simulare la fisica degli effetti quantistici.
La variazione della densità di spin nei semiconduttori può portare a nuove proprietà in un materiale – qualcosa che i ricercatori desideravano da tempo esplorare – ma questa densità è solitamente fugace e sfuggente, quindi difficile da misurare e controllare localmente.
I ricercatori del MIT hanno trovato un modo per regolare la densità di rotazione nel diamante applicando un laser esterno o un raggio a microonde. La scoperta potrebbe aprire nuove possibilità per dispositivi quantistici avanzati. Nella foto è una vista dell’apparecchiatura laser utilizzata nel lavoro dei ricercatori. Illustrazione dei ricercatori / MIT
Ora, un team di ricercatori del MIT e altrove ha trovato un modo per regolare la densità di rotazione nel diamante, cambiandola di un fattore due, applicando un laser esterno o un raggio a microonde. La scoperta, riportata sulla rivista PNASpotrebbe aprire molte nuove possibilità per dispositivi quantistici avanzati, affermano gli autori.
IL carta è una collaborazione tra attuali ed ex studenti dei professori Paola Cappellaro e Ju Li al MIT, e collaboratori al Politecnico di Milano. Il primo autore dell’articolo, Guoqing Wang PhD ’23, ha lavorato alla sua tesi di dottorato nel laboratorio di Cappellaro ed è ora postdoc al MIT.
Un tipo specifico di difetto di spin noto come centro vacante di azoto (NV) nel diamante è uno dei sistemi più ampiamente studiati per il suo potenziale utilizzo in un’ampia varietà di applicazioni quantistiche.
Lo spin dei centri NV è sensibile a qualsiasi disturbo fisico, elettrico o ottico, rendendoli rivelatori potenzialmente altamente sensibili.
“I difetti di spin a stato solido sono una delle piattaforme quantistiche più promettenti”, afferma Wang, in parte perché possono funzionare in condizioni ambientali a temperatura ambiente. Molti altri sistemi quantistici richiedono ambienti ultrafreddi o altri ambienti specializzati.
“Le capacità di rilevamento su nanoscala dei centri NV li rendono promettenti per sondare le dinamiche nel loro ambiente di spin, manifestando una ricca fisica quantistica di molti corpi ancora da comprendere”, aggiunge Wang.
“Un importante difetto di spin nell’ambiente, chiamato centro P1, di solito può essere da 10 a 100 volte più popoloso del centro NV e quindi può avere interazioni più forti, rendendole ideali per lo studio della fisica a molti corpi”.
Spintronica – concetto artistico. Credito immagine: Creatività103 via FlickrCC BY 2.0
Ma per sintonizzare le loro interazioni, gli scienziati devono essere in grado di modificare la densità di spin, cosa che in precedenza era stata raggiunta raramente. Con questo nuovo approccio, Wang afferma: “Possiamo regolare la densità di rotazione in modo che fornisca una potenziale manopola per regolare effettivamente un tale sistema. Questa è la novità chiave del nostro lavoro”.
Un tale sistema sintonizzabile potrebbe fornire modi più flessibili per studiare l’idrodinamica quantistica, afferma Wang. Più immediatamente, il nuovo processo può essere applicato ad alcuni dispositivi esistenti di rilevamento quantistico su scala nanometrica come un modo per migliorare la loro sensibilità.
Li, che ricopre un incarico congiunto nei dipartimenti di Scienza e ingegneria nucleare e Scienza e ingegneria dei materiali del MIT, spiega che i computer e i sistemi di elaborazione delle informazioni di oggi sono tutti basati sul controllo e il rilevamento delle cariche elettriche, ma alcuni dispositivi innovativi stanno iniziando a utilizzare della proprietà chiamata spin.
L’azienda di semiconduttori Intel, ad esempio, ha sperimentato nuovi tipi di transistor che accoppiano spin e carica, aprendo potenzialmente la strada a dispositivi basati sulla spintronica.
“I transistor CMOS tradizionali consumano molta energia”, afferma Li, “ma se si utilizza lo spin, come in questo progetto Intel, è possibile ridurre di molto il consumo energetico”.
La società ha anche sviluppato dispositivi spin qubit a stato solido per il calcolo quantistico e “lo spin è qualcosa che le persone vogliono controllare nei solidi perché è più efficiente dal punto di vista energetico ed è anche un vettore di informazioni quantistiche”.
Nello studio di Li e dei suoi colleghi, il livello di controllo appena raggiunto sulla densità di spin consente a ciascun centro NV di agire come una sorta di “radar” su scala atomica in grado sia di rilevare che di controllare gli spin vicini.
“Fondamentalmente usiamo un particolare difetto NV per rilevare gli spin elettronici e nucleari circostanti. Questo sensore quantistico rivela l’ambiente di rotazione nelle vicinanze e come questo sia influenzato dinamicamente dal flusso di carica, che in questo caso viene pompato dal laser», afferma Li.
Questo sistema rende possibile modificare dinamicamente la concentrazione di rotazione di un fattore due, dice. Ciò potrebbe in definitiva portare a dispositivi in cui un singolo punto difetto o un singolo atomo potrebbe essere l’unità computazionale di base.
“Nel lungo periodo, un difetto a punto singolo, e lo spin localizzato e la carica localizzata su quel difetto a punto singolo, possono essere una logica di calcolo. Può essere un qubit, può essere un ricordo, può essere un sensore”, dice.
Aggiunge che rimane ancora molto lavoro per sviluppare questo fenomeno appena scoperto.
“Non ci siamo ancora esattamente”, dice, ma ciò che hanno dimostrato finora mostra che hanno “davvero spinto la misurazione e il controllo dello spin e dello stato di carica dei difetti puntiformi a un livello senza precedenti. Quindi, a lungo termine, penso che questo supporterebbe l’utilizzo di singoli difetti, o un piccolo numero di difetti, per diventare dispositivi di elaborazione e rilevamento delle informazioni.
In questo lavoro finora, dice Wang, “troviamo questo fenomeno e lo dimostriamo”, ma è necessario ulteriore lavoro per comprendere appieno il meccanismo fisico di ciò che sta accadendo in questi sistemi.
“Il nostro prossimo passo è scavare più a fondo nella fisica, quindi vorremmo sapere meglio qual è il meccanismo fisico sottostante” dietro gli effetti che vedono. A lungo termine, “con una migliore comprensione di questi sistemi, speriamo di esplorare più idee di simulazione e rilevamento quantistico, come la simulazione di idrodinamica quantistica interessante e persino il trasporto di informazioni quantistiche tra diversi difetti di spin”.
I risultati sono stati resi possibili, in parte, dallo sviluppo da parte del team di un nuovo impostazione dell’imaging a campo ampio ciò consente loro di misurare contemporaneamente molte diverse posizioni spaziali all’interno del materiale cristallino, utilizzando un veloce array di rivelatori a singolo fotone, combinato con un microscopio.
“Siamo in grado di visualizzare spazialmente la distribuzione della densità su diverse specie di spin come un’impronta digitale e la dinamica del trasporto di carica”, sebbene quel lavoro sia ancora preliminare, afferma Wang.
Sebbene il loro lavoro sia stato svolto utilizzando diamanti coltivati in laboratorio, i principi potrebbero essere applicati ad altri difetti dello stato solido cristallino, afferma. I centri NV in diamante sono stati attraenti per la ricerca perché possono essere utilizzati a temperatura ambiente e sono già stati ben studiati.
Ma i centri vacanti di silicio, i donatori di silicio, gli ioni di terre rare nei solidi e altri materiali cristallini possono avere proprietà diverse che potrebbero rivelarsi utili per particolari tipi di applicazioni.
“Con il progredire della scienza dell’informazione, alla fine le persone saranno in grado di controllare le posizioni e la carica dei singoli atomi e difetti. Questa è la visione a lungo termine”, dice Li.
“Se puoi avere ogni atomo che memorizza informazioni diverse, è una capacità di archiviazione ed elaborazione delle informazioni molto più grande” rispetto ai sistemi esistenti in cui anche un singolo bit è memorizzato da un dominio magnetico di molti atomi.
“Si può dire che è il limite ultimo della legge di Moore: alla fine scendere a un difetto o a un atomo”.
Mentre alcune applicazioni potrebbero richiedere molte più ricerche per essere sviluppate a livello pratico, per alcuni tipi di sistemi di rilevamento quantistico, le nuove intuizioni possono essere rapidamente tradotte in usi nel mondo reale, afferma Wang.
“Possiamo migliorare immediatamente le prestazioni dei sensori quantistici in base ai nostri risultati”, afferma.
“Nel complesso, questo risultato è molto eccitante per il campo dei difetti di spin allo stato solido”, afferma Chong Zu, assistente professore di fisica alla Washington University di St. Louis, specializzato in informazioni quantistiche ma non coinvolto in questo lavoro.
«In particolare, introduce un potente approccio all’utilizzo della dinamica di ionizzazione della carica per regolare continuamente la densità del difetto di spin locale, che è importante nel contesto delle applicazioni dei centri NV per la simulazione quantistica e il rilevamento».
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Da un’altra testata giornalistica. news de www.technology.org
