Un team di ricerca di Garching e Vienna ha scoperto un notevole effetto eco che offre nuove entusiasmanti possibilità per lavorare con le informazioni quantistiche.

Piccole particelle possono avere un momento angolare che punta in una certa direzione:lo spin. Questo spin può essere manipolato da un campo magnetico. Questo principio, Per esempio, è l'idea alla base della risonanza magnetica utilizzata negli ospedali. Un team di ricerca internazionale ha ora scoperto un effetto sorprendente in un sistema particolarmente adatto all'elaborazione di informazioni quantistiche:gli spin degli atomi di fosforo in un pezzo di silicio, accoppiato ad un risonatore a microonde. Se questi spin vengono abilmente eccitati con impulsi a microonde, un cosiddetto segnale di spin echo può essere rilevato dopo un certo tempo:il segnale di impulso iniettato viene riemesso come eco quantistico. Sorprendentemente, questo spin echo non si verifica solo una volta, ma è possibile rilevare tutta una serie di echi. Questo apre nuove possibilità su come le informazioni possono essere elaborate con i sistemi quantistici.

Gli esperimenti sono stati condotti presso il Walther-Meissner-Institut di Garching da ricercatori dell'Accademia bavarese delle scienze e delle scienze umane e dell'Università tecnica di Monaco di Baviera, la spiegazione teorica è stata sviluppata presso TU Wien (Vienna). Ora il lavoro congiunto è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica .

L'eco degli spin quantistici

"Gli echi di spin sono noti da molto tempo, questo non è niente di insolito, " afferma il prof. Stefan Rotter della TU Wien (Vienna). Innanzitutto, un campo magnetico viene utilizzato per assicurarsi che gli spin di molti atomi puntino nella stessa direzione magnetica. Quindi gli atomi vengono irradiati con un impulso elettromagnetico, e improvvisamente i loro giri iniziano a cambiare direzione.

Però, gli atomi sono incorporati in ambienti leggermente diversi. È quindi possibile che forze leggermente diverse agiscano sui loro spin. "Di conseguenza, lo spin non cambia alla stessa velocità per tutti gli atomi, " spiega il dott. Hans Hübl dell'Accademia bavarese delle scienze e delle scienze umane. "Alcune particelle cambiano la loro direzione di rotazione più velocemente di altre, e presto avrai un miscuglio selvaggio di giri con orientamenti completamente diversi."

Ma è possibile riavvolgere questo apparente caos, con l'aiuto di un altro impulso elettromagnetico. Un impulso adatto può invertire la rotazione della rotazione precedente in modo che le rotazioni si riuniscano di nuovo. "Puoi immaginare che sia un po' come correre una maratona, " dice Stefan Rotter. "Al segnale di partenza, tutti i corridori sono ancora insieme. Poiché alcuni corridori sono più veloci di altri, il campo dei corridori si allontana sempre di più nel tempo. Però, se a tutti i corridori fosse dato ora il segnale di tornare alla partenza, tutti i corridori sarebbero tornati alla partenza all'incirca nello stesso momento, anche se i corridori più veloci devono coprire una distanza più lunga rispetto a quelli più lenti."

In caso di spin, ciò significa che ad un certo punto nel tempo tutte le particelle hanno di nuovo esattamente la stessa direzione di spin, e questo è chiamato spin echo. "Sulla base della nostra esperienza in questo campo, ci aspettavamo già di poter misurare uno spin echo nei nostri esperimenti, " dice Hans Hübl. "La cosa notevole è che non solo siamo stati in grado di misurare una singola eco, ma una serie di diversi echi."

Lo spin che si influenza da solo

All'inizio, non era chiaro come si verificasse questo nuovo effetto. Ma un'analisi teorica dettagliata ha ora permesso di comprendere il fenomeno:è dovuto al forte accoppiamento tra le due componenti dell'esperimento:gli spin e i fotoni in un risonatore a microonde, un circuito elettrico in cui le microonde possono esistere solo a determinate lunghezze d'onda. "Questo accoppiamento è l'essenza del nostro esperimento:puoi memorizzare informazioni negli spin, e con l'aiuto dei fotoni a microonde nel risonatore puoi modificarlo o leggerlo, " dice Hans Hübl.

Il forte accoppiamento tra gli spin atomici e il risonatore a microonde è anche responsabile degli echi multipli:se gli spin degli atomi puntano tutti nella stessa direzione nel primo eco, questo produce un segnale elettromagnetico. "Grazie all'accoppiamento al risonatore a microonde, questo segnale agisce indietro sugli spin, e questo porta a un'altra eco - e ancora e ancora, " spiega Stefan Rotter. "Gli stessi spin causano l'impulso elettromagnetico, che è responsabile dell'eco successiva."

La fisica dello spin echo ha un grande significato per le applicazioni tecniche:è un importante principio di base alla base della risonanza magnetica. Le nuove possibilità offerte dall'eco multiplo, come l'elaborazione di informazioni quantistiche, verrà ora esaminato più in dettaglio. "Di sicuro, gli echi multipli negli insiemi di spin accoppiati fortemente ai fotoni di un risonatore sono un nuovo entusiasmante strumento. Non solo troverà utili applicazioni nella tecnologia dell'informazione quantistica, ma anche nei metodi di spettroscopia basata sullo spin, "dice Rudolf Gross, coautore e direttore del Walther-Meissner-Institut.