Per la prima volta, i ricercatori sono stati in grado di studiare l'interferenza quantistica in un sistema quantistico a tre livelli e quindi controllare il comportamento degli spin dei singoli elettroni. A tal fine, hanno usato una nuova nanostruttura in cui un sistema quantistico è integrato in un oscillatore meccanico su nanoscala a forma di cantilever di diamante. Fisica della natura ha pubblicato lo studio, che è stato condotto presso l'Università di Basilea e lo Swiss Nanoscience Institute.

Lo spin dell'elettrone è una proprietà quantistica fondamentale. Nel mondo quantistico, lo spin elettronico descrive il senso di rotazione dell'elettrone attorno al suo asse, che normalmente può occupare due cosiddetti autostati comunemente indicati come "su" e "giù". Le proprietà quantistiche dello spin offrono prospettive interessanti per le tecnologie future, Per esempio, sotto forma di sensori quantistici estremamente precisi.

Combinazione di spin con oscillatori meccanici

I ricercatori guidati dal professor Patrick Maletinsky e dal Ph.D. il candidato Arne Barfuss dello Swiss Nanoscience Institute presso l'Università di Basilea relazione in Fisica della natura un nuovo metodo per controllare lo spin quantistico con un sistema meccanico.

Per il loro studio sperimentale, hanno combinato un tale sistema quantistico con un oscillatore meccanico. Più specificamente, i ricercatori hanno impiegato gli elettroni intrappolati nei cosiddetti centri di vacanza dell'azoto e hanno incorporato questi spin in risonatori meccanici monocristallini realizzati con il diamante.

Questi giri di azoto vacanti sono speciali, in quanto ne possiedono non solo due, ma tre autostati, che può essere descritto come "su, " "down" e "zero". Utilizzando lo speciale accoppiamento di un oscillatore meccanico allo spin, hanno mostrato per la prima volta il controllo quantistico completo su un tale sistema a tre livelli, in un modo non possibile prima.

In particolare, l'oscillatore ha permesso loro di affrontare tutte e tre le possibili transizioni nello spin e di studiare come i percorsi di eccitazione risultanti interferiscono tra loro. Questo scenario, nota come "guida a contorno chiuso, " non è mai stato indagato prima, ma apre interessanti prospettive fondamentali e pratiche. Per esempio, il loro esperimento ha permesso una rottura della simmetria di inversione temporale, il che significa che le proprietà del sistema appaiono fondamentalmente diverse se la direzione del tempo è invertita rispetto a senza tale inversione. In questo scenario, la fase dell'oscillatore meccanico determinava se la rotazione girava "in senso orario" (senso di rotazione verso l'alto, fuori uso, zero, in alto) o "in senso antiorario".

Questo concetto astratto ha conseguenze pratiche per i fragili stati quantistici. Simile al noto esperimento mentale del gatto di Schrödinger, gli spin possono esistere simultaneamente in una sovrapposizione di due o tre degli autostati disponibili per un certo periodo, il cosiddetto tempo di coerenza quantistica.

Se i tre autostati sono accoppiati tra loro usando la guida a contorno chiusa scoperta qui, il tempo di coerenza può essere notevolmente esteso, come hanno potuto dimostrare i ricercatori. Rispetto ai sistemi in cui sono guidate solo due delle tre possibili transizioni, la coerenza è quasi centuplicata. Tale protezione della coerenza è un elemento chiave per le future tecnologie quantistiche e un altro risultato principale di questo lavoro.

I risultati hanno un alto potenziale per applicazioni future. È concepibile che il sistema ibrido risonatore-spin possa essere utilizzato per la misurazione precisa di segnali dipendenti dal tempo con frequenze nell'intervallo dei gigahertz, ad esempio, nel rilevamento quantistico o nell'elaborazione dell'informazione quantistica. Per i segnali dipendenti dal tempo che emergono da oggetti su scala nanometrica, tali compiti sono attualmente molto difficili da affrontare in altro modo. Qui, la combinazione di spin e sistema oscillante potrebbe essere utile, in particolare per la dimostrata protezione della coerenza di spin.