Gli elettroni sono molto alla mercé dei campi magnetici, che gli scienziati possono manipolare per controllare gli elettroni e il loro momento angolare, ad es. il loro "giro".

Un team Cornell guidato da Greg Fuchs, assistente professore di fisica applicata e ingegneristica presso il College of Engineering, nel 2013 ha inventato un nuovo modo di esercitare questo controllo utilizzando onde acustiche generate da risonatori meccanici. Questo approccio ha permesso al team di controllare le transizioni di spin degli elettroni (note anche come risonanza di spin) che altrimenti non sarebbero possibili attraverso il comportamento magnetico convenzionale.

La scoperta è stata una manna per chiunque volesse costruire sensori quantistici del tipo utilizzato nei dispositivi di navigazione mobile. Però, tali dispositivi richiedevano ancora un campo di controllo magnetico, e quindi un'antenna magnetica ingombrante, per guidare determinate transizioni di spin.

Ora, Il gruppo di Fuchs ha dimostrato che queste transizioni possono essere guidate esclusivamente dall'acustica. Questo elimina la necessità dell'antenna magnetica, consentendo agli ingegneri di costruire piccoli, sensori acustici più efficienti dal punto di vista energetico che possono essere imballati più strettamente su un singolo dispositivo.

La carta della squadra, "Guidare acusticamente la transizione del singolo spin quantico dei centri di lavoro con azoto-vacanza di diamante, " pubblicato il 27 maggio in Revisione fisica applicata .

"Puoi usare un campo magnetico per guidare queste transizioni di spin, ma un campo magnetico è in realtà un campo molto esteso, grande oggetto, " Disse Fuchs. "Al contrario, le onde acustiche possono essere molto limitate. Quindi, se stai pensando di controllare diverse regioni di spin all'interno del tuo chip, locale e indipendente, quindi farlo con le onde acustiche è un approccio sensato."

Per guidare le transizioni di spin dell'elettrone, Fuchs e Huiyao Chen '20, l'autore principale del giornale, centri usati di azoto vacante (NV), che sono difetti nel reticolo cristallino di un diamante. I risonatori acustici sono dispositivi di sistemi microelettromeccanici (MEMS) dotati di trasduttore. Quando viene applicata la tensione, il dispositivo vibra, inviando onde acustiche da 2 a 3 gigahertz nel cristallo. Queste frequenze causano sollecitazioni e sollecitazioni nel difetto, che determina la risonanza di spin dell'elettrone.

Una complicazione:questo processo eccita anche il campo magnetico, quindi i ricercatori non sono mai stati del tutto sicuri dell'effetto delle vibrazioni meccaniche rispetto all'effetto delle oscillazioni magnetiche. Così Fuchs e Chen hanno deciso di misurare scrupolosamente l'accoppiamento tra le onde acustiche e la transizione di spin, e confrontarlo con i calcoli proposti dai fisici teorici.

"Siamo stati in grado di stabilire separatamente la parte magnetica e la parte acustica, e quindi misurare quel coefficiente sconosciuto che determina quanto fortemente la singola transizione quantistica si accoppia alle onde acustiche, " Ha detto Fuchs. "La risposta è stata, con nostra sorpresa e gioia, che è un ordine di grandezza più grande del previsto. Ciò significa che puoi davvero progettare dispositivi di risonanza di spin completamente acustici che renderebbero eccellenti sensori di campo magnetico, ad esempio, ma non è necessario un campo di controllo magnetico per eseguirli."

Fuchs sta lavorando con il Center for Technology Licensing di Cornell per brevettare la scoperta, che potrebbero avere importanti applicazioni nella tecnologia di navigazione.

"C'è uno sforzo significativo a livello nazionale per realizzare sensori di campo magnetico altamente stabili con centri NV diamantati, " Ha detto Fuchs. "Le persone stanno già costruendo questi dispositivi basati sulla risonanza magnetica convenzionale utilizzando antenne magnetiche. Penso che la nostra scoperta avrà un enorme vantaggio in termini di compattezza e capacità di realizzare sensori indipendenti ravvicinati".