Schema del cristallo YSO con Ce . incorporato 3+ . Entro 6 Å di distanza, 29 Viene rilevato l'accoppiamento Si (magenta), più remoto 29 Si non può essere distinto (blu). Credito:Kornher et al.
I minerali delle terre rare sono una classe di materiali con proprietà simili che sono attualmente utilizzati per costruire una varietà di dispositivi, compresi i LED, batterie ricaricabili, magneti, laser, e altro ancora. Gli spin elettronici di questi materiali possono essere ospitati in cristalli, creando sistemi con caratteristiche uniche che potrebbero fungere da interfacce tra fotoni in banda di telecomunicazioni e bit quantici di spin di lunga durata.
interessante, questi sistemi presentano spin elettronici che interagiscono con gli spin nucleari circostanti, e potrebbero quindi essere particolarmente utili per lo sviluppo di strumenti di memoria quantistica. Finora, però, nessun ricercatore è stato in grado di rilevare o rilevare spin nucleari prossimali ospitati in cristalli correlati alle terre rare.
In uno studio presentato in Lettere di revisione fisica , i ricercatori dell'Università di Stoccarda e del Centro di ricerca sulla scienza computazionale di Pechino sono riusciti a rilevare questi spin nucleari prossimali, più specificamente, quelli vicino single Ce 3+ ioni ospitati in un cristallo di ortosilicato di ittrio (YSO). Il loro studio si è basato su un precedente articolo pubblicato su Comunicazioni sulla natura , in cui hanno esplorato le proprietà coerenti di singoli ioni di terre rare ospitati in un cristallo diverso.
"Il nostro studio precedente è stato condotto su un cristallo YAG, che ha un bagno di rotazione ancora più denso di YSO, e ha mostrato un tempo di interazione coerente relativamente breve per gli spin elettronici studiati, "Roman Kolesov, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il tempo di coerenza misurato ha dato la motivazione per studiare il cerio in un altro cristallo ospite con un bagno di spin nucleare leggermente più diluito, vale a dire YSO, che ha ancora una notevole quantità di isotopi di spin nucleare con il 100% di ittrio-89 e il 5% di silicio-29."
Nel loro nuovo studio, Kolesov e i suoi colleghi volevano studiare gli spin degli elettroni con un tempo di coerenza prolungato, che è ciò che alla fine li ha portati a esaminare i materiali delle terre rare in un cristallo ospite YSO. Un tempo di coerenza abbastanza lungo, infatti, alla fine consentirebbe loro di percepire spin nucleari esterni, che era l'obiettivo primario del loro lavoro.
A sinistra:immagine di microlenti fabbricate utilizzate per studiare otticamente gli ioni delle terre rare. A destra:immagine al microscopio a scansione laser di ioni di terre rare all'interno di una microlente. Credito:Kornher et al.
"Gli spin nucleari individuali possono essere rilevati sulla base dei segnali di fluorescenza degli ioni delle terre rare studiati, "Thomas Kornher, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Nei nostri esperimenti, abbiamo eccitato l'elettrone di cerio con impulsi laser polarizzati circolarmente in uno specifico stato di spin. Utilizzando un campo a microonde, lo spin è stato quindi portato in uno stato di sovrapposizione, che può captare la perturbazione degli spin nucleari esterni."
Kolesov, Kornher e i loro colleghi sono stati in grado di estrarre questa perturbazione degli spin nucleari esterni, come segnale fluorescente emesso da un'altra sequenza di impulsi laser. Soprattutto, hanno estratto con successo il segnale di un singolo spin nucleare esterno in un denso bagno di spin nucleare. Il loro articolo ha quindi stabilito i singoli ioni delle terre rare come preziose sonde per rilevare singoli spin nucleari nel loro ambiente.
"Se consideri i singoli spin nucleari indirizzabili come una risorsa potenzialmente utile nelle tecnologie quantistiche, come schemi di correzione degli errori quantistici, quindi rilevarli in base a singoli ioni di terre rare fornisce l'accesso a una vasta gamma di materiali, che ora può essere considerato per applicazioni quantistiche, " ha detto Kornher. "L'ampia gamma di nuovi materiali si basa sul versatile drogaggio di ioni di terre rare in ospiti allo stato solido, che è un campo ben studiato che si basa sulle indagini sulla fisica dei laser."
Il recente studio condotto da questo team di ricercatori ha raccolto nuove importanti scoperte che potrebbero aprire nuove possibilità per lo sviluppo di applicazioni di memoria quantistica che utilizzano sistemi di ioni di terre rare, che si basano su spin nucleari ambientali accoppiati. Nel loro lavoro futuro, Kolesov, Kornher e i loro colleghi vorrebbero studiare l'inizializzazione degli spin nucleari che potrebbe consentire l'accesso agli spin nucleari. Più specificamente, hanno in programma di manipolare i singoli spin nucleari rilevati nel loro recente studio e di implementare porte logiche quantistiche su di essi.
"Una metafora per spiegare i risultati del nostro studio potrebbe essere che siamo stati in grado di sentire il tono molto calmo di una zanzara (lascia che sia anche una zanzara quantistica) in una strada con traffico intenso (bagnoschiuma), " ha detto Kolesov. "Finora, possiamo solo sentirlo, ma il compito successivo sarebbe quello di controllarne il volo e l'obiettivo finale di controllare diverse zanzare contemporaneamente distinguendole per le loro voci leggermente diverse".
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