Mentre i difetti in un diamante sono per lo più indesiderabili, certi difetti sono i migliori amici di un fisico quantistico, avere il potenziale per memorizzare bit di informazioni che un giorno potrebbero essere utilizzati in un sistema di calcolo quantistico.

I fisici applicati della Cornell University hanno dimostrato una tecnica per ingegnerizzare alcune delle proprietà ottiche chiave di quei difetti, fornendo un nuovo strumento per esplorare la meccanica quantistica.

Un gruppo di ricercatori guidati da Greg Fuchs, professore di fisica applicata e ingegneria, sono diventati i primi a utilizzare le vibrazioni prodotte da un risonatore per aiutare a stabilizzare quelle proprietà ottiche, costringendo gli elettroni del diamante in uno stato orbitale eccitato. La ricerca è dettagliata nel documento "Manipolazione dello stato orbitale di un centro di azoto-vacanza diamantato utilizzando un risonatore meccanico, " pubblicato il 17 aprile sulla rivista Lettere di revisione fisica .

Proprio come i transistor di un computer registrano le informazioni binarie sia "acceso" che "spento, "gli stati interni di questi difetti del diamante su scala atomica possono anche rappresentare bit di informazione, come il suo spin - una forma intrinseca di momento angolare - che è "su" o "giù". Ma a differenza dei transistor, che hanno solo due stati, lo spin possiede la capacità quantistica di essere su e giù allo stesso tempo. Usato in combinazione, questi stati quantistici potrebbero registrare e condividere informazioni in modo esponenziale meglio dei transistor, consentendo ai computer di eseguire determinati calcoli a velocità una volta inimmaginabili.

La sfida:è difficile trasferire informazioni quantistiche da un luogo a un altro. I fisici hanno sperimentato una serie di materiali e tecniche per farlo, compreso l'uso di proprietà ottiche all'interno dei difetti atomici dei diamanti noti come centri di vacanza dell'azoto.

"Una cosa in cui i centri di posti vacanti di azoto di diamante possono essere abbastanza bravi è la comunicazione. Quindi puoi avere uno spin di elettroni, che è un buon stato quantistico, quindi puoi trasferire il suo stato in un fotone di luce, " disse Fuchs, che ha aggiunto che il fotone può quindi portare quel bit di informazione su un altro difetto. "Una delle sfide per farlo è stabilizzarlo e farlo funzionare nel modo desiderato. Abbiamo fornito una nuova cassetta degli attrezzi per l'ingegneria di quella transizione ottica in modo da sperare di migliorarla".

È stato prima necessario per il team di ricerca progettare un dispositivo in grado di inviare onde vibrazionali attraverso il difetto del diamante. Un risonatore meccanico a frequenza gigahertz è stato fabbricato da un diamante a cristallo singolo, quindi onde sonore che vibrano a circa 1 gigahertz sono state inviate per difetto.

L'obiettivo era usare il suono per modificare le transizioni ottiche del difetto, in cui il passaggio da uno stato energetico ad un altro determina l'emissione di un fotone. Queste transizioni tendono a fluttuare in base a varie condizioni ambientali, rendendo difficile la produzione di fotoni coerenti per trasportare informazioni.

Come esempio, campi elettrici fluttuanti casualmente possono rendere instabile la lunghezza d'onda di transizione ottica, secondo Huiyao Chen, uno studente di dottorato che ha guidato lo studio.

"Per sopprimere l'effetto di queste fluttuazioni incoerenti, "Chen ha detto, "una cosa che possiamo fare è eliminare l'accoppiamento tra l'orbitale elettronico e l'indesiderato, campi elettrici casuali. Ed è qui che entrano in gioco le onde sonore prodotte dal risonatore".

Per sapere se l'esperimento ha funzionato, il team di ricerca ha utilizzato un microscopio con un laser a lunghezza d'onda sintonizzabile per scansionare il centro di disponibilità di azoto del diamante. Quando la lunghezza d'onda del laser era in risonanza con la transizione ottica, si vedeva un fotone emesso, un indicatore sicuro che gli elettroni avevano raggiunto uno stato eccitato. I ricercatori hanno quindi studiato come le onde sonore potrebbero alterare gli stati orbitali, e quindi modificare la transizione ottica.