Nel 1998, ricercatori tra cui Mark Kubinec dell'UC Berkeley hanno eseguito uno dei primi semplici calcoli quantistici utilizzando singole molecole. Hanno usato impulsi di onde radio per capovolgere gli spin di due nuclei in una molecola, con l'orientamento "su" o "giù" di ogni spin che memorizza le informazioni nel modo in cui uno stato "0" o "1" memorizza le informazioni in un bit di dati classico. In quei primi giorni dei computer quantistici, l'orientamento combinato dei due nuclei, cioè lo stato quantico della molecola, potrebbe essere preservato solo per brevi periodi in ambienti appositamente sintonizzati. In altre parole, il sistema perse rapidamente la sua coerenza. Il controllo sulla coerenza quantistica è il passaggio mancante per la creazione di computer quantistici scalabili.

Ora, i ricercatori stanno sviluppando nuovi percorsi per creare e proteggere la coerenza quantistica. In questo modo saranno abilitati dispositivi di misurazione ed elaborazione delle informazioni squisitamente sensibili che funzionano in condizioni ambientali o addirittura estreme. Nel 2018, Joel Moore, uno scienziato senior della facoltà al Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professore all'UC Berkeley, fondi assicurati dal Dipartimento dell'Energia per creare e guidare un Centro di ricerca sulla frontiera dell'energia (EFRC) - chiamato Centro per nuovi percorsi per la coerenza quantistica nei materiali (NPQC) - per promuovere tali sforzi. "Gli EFRC sono uno strumento importante per il DOE per consentire collaborazioni interistituzionali mirate per fare rapidi progressi su problemi scientifici all'avanguardia che esulano dalla portata dei singoli ricercatori, " ha detto Moore.

Attraverso l'NPQC, scienziati del Berkeley Lab, UC Berkeley, UC Santa Barbara, Laboratorio Nazionale Argonne, e la Columbia University stanno aprendo la strada per comprendere e manipolare la coerenza in una varietà di sistemi a stato solido. Il loro triplice approccio si concentra sullo sviluppo di nuove piattaforme per il rilevamento quantistico; progettare materiali bidimensionali che ospitano stati quantistici complessi; ed esplorare modi per controllare con precisione le proprietà elettroniche e magnetiche di un materiale tramite processi quantistici. La soluzione a questi problemi si trova all'interno della comunità scientifica dei materiali. Lo sviluppo della capacità di manipolare la coerenza in ambienti realistici richiede una comprensione approfondita dei materiali che potrebbero fornire bit quantistici alternativi (o "qubit"), rilevamento, o tecnologie ottiche.

Le scoperte di base sono alla base di ulteriori sviluppi che contribuiranno ad altri investimenti del DOE in tutto l'Office of Science. Quando il programma entra nel suo quarto anno, diverse scoperte stanno gettando le basi scientifiche per le innovazioni nella scienza dell'informazione quantistica.

Più difetti, più opportunità

Molti dei risultati ottenuti finora da NPQC si concentrano su piattaforme quantistiche basate su difetti specifici nella struttura di un materiale chiamati difetti di spin. Un difetto di spin nel fondo cristallino destro può avvicinarsi alla perfetta coerenza quantistica, pur possedendo robustezza e funzionalità notevolmente migliorate.

Queste imperfezioni possono essere utilizzate per realizzare piattaforme di rilevamento ad alta precisione. Ogni difetto di rotazione risponde a fluttuazioni estremamente sottili nell'ambiente; e raccolte coerenti di difetti possono raggiungere un'accuratezza e una precisione senza precedenti. Ma capire come si evolve la coerenza in un sistema di molti giri, dove tutti gli spin interagiscono tra loro, è scoraggiante. Per vincere questa sfida, I ricercatori NPQC si stanno rivolgendo a un materiale comune che risulta essere l'ideale per il rilevamento quantistico:il diamante.

In natura, ogni atomo di carbonio nella struttura cristallina di un diamante si collega ad altri quattro atomi di carbonio. Quando un atomo di carbonio viene sostituito da un atomo diverso o omesso del tutto, che si verifica comunemente quando si forma la struttura cristallina del diamante, il difetto risultante può a volte comportarsi come un sistema atomico che ha uno spin ben definito, una forma intrinseca di momento angolare trasportato da elettroni o altre particelle subatomiche. Proprio come queste particelle, certi difetti del diamante possono avere un orientamento, o polarizzazione, cioè "spin-up" o "spin-down".

Progettando più difetti di spin differenti in un reticolo di diamante, Norman Yao, uno scienziato della facoltà al Berkeley Lab e un assistente professore di fisica all'UC Berkeley, ei suoi colleghi hanno creato un sistema 3D con spin dispersi in tutto il volume. All'interno di quel sistema, i ricercatori hanno sviluppato un modo per sondare il "movimento" della polarizzazione dello spin su scale di lunghezza minuscole.

Utilizzando una combinazione di tecniche di misurazione, i ricercatori hanno scoperto che lo spin si muove nel sistema quantomeccanico quasi allo stesso modo in cui il colorante si muove in un liquido. Imparare dai coloranti si è rivelato un percorso di successo verso la comprensione della coerenza quantistica, come recentemente pubblicato sulla rivista Nature. Non solo il comportamento emergente dello spin fornisce un potente quadro classico per comprendere la dinamica quantistica, ma il sistema multi-difetto fornisce una piattaforma sperimentale per esplorare anche come funziona la coerenza. Moore, il direttore NPQC e un membro del team che ha precedentemente studiato altri tipi di dinamica quantistica, ha descritto la piattaforma NPQC come "un esempio controllabile in modo univoco dell'interazione tra disordine, interazioni dipolari a lungo raggio tra spin, e la coerenza quantistica".

I tempi di coerenza di questi difetti di rotazione dipendono fortemente dall'ambiente circostante. Molte scoperte NPQC si sono concentrate sulla creazione e sulla mappatura della sensibilità alla deformazione nella struttura che circonda i singoli difetti nel diamante e in altri materiali. Ciò può rivelare il modo migliore per progettare difetti che hanno i tempi di coerenza più lunghi possibili nei materiali 3D e 2D. Ma esattamente come potrebbero correlarsi i cambiamenti imposti dalle forze sul materiale stesso ai cambiamenti nella coerenza del difetto?

Per scoprirlo, I ricercatori NPQC stanno sviluppando una tecnica per creare aree deformate in un cristallo ospite e misurare la deformazione. "Se pensi agli atomi in un reticolo in termini di una scatola a molle, ottieni risultati diversi a seconda di come li spingi, " ha detto Martin Holt, capogruppo in microscopia elettronica ea raggi X presso l'Argonne National Laboratory e ricercatore principale con NPQC. Utilizzando la sorgente di fotoni avanzati e il Centro per i materiali su scala nanometrica, entrambe le strutture per gli utenti dell'Argonne National Laboratory, lui ei suoi colleghi offrono un'immagine diretta delle aree deformate in un cristallo ospite. Fino ad ora, l'orientamento di un difetto in un campione è stato per lo più casuale. Le immagini rivelano quali sono gli orientamenti più sensibili, fornendo una strada promettente per il rilevamento quantistico ad alta pressione.

"È davvero bello che tu possa prendere qualcosa come il diamante e dargli utilità. Avere qualcosa di abbastanza semplice da capire la fisica di base ma che può anche essere manipolato abbastanza per fare fisica complessa è fantastico, " disse Holt.

Un altro obiettivo di questa ricerca è la capacità di trasferire uno stato quantistico, come quello di un difetto in un diamante, coerentemente da un punto all'altro utilizzando gli elettroni. Il lavoro degli scienziati NPQC del Berkeley Lab e dell'Argonne Lab studia speciali fili quantistici che appaiono in strati atomicamente sottili di alcuni materiali. La superconduttività è stata scoperta inaspettatamente in uno di questi sistemi, un triplo strato di fogli di carbonio, dal gruppo guidato da Feng Wang, uno scienziato senior della facoltà del Berkeley Lab e professore all'Università di Berkeley, e leader dello sforzo di NPQC in materiali atomicamente sottili. Di questo lavoro, pubblicato in Natura nel 2019, Wang ha detto, "Il fatto che gli stessi materiali possano offrire sia conduzione unidimensionale protetta che superconduttività apre nuove possibilità per proteggere e trasferire la coerenza quantistica".

Verso dispositivi utili

I sistemi multi-difetto non sono importanti solo come conoscenza scientifica fondamentale. Hanno anche il potenziale per diventare tecnologie trasformative. Nei nuovi materiali bidimensionali che stanno aprendo la strada all'elettronica ultraveloce e ai sensori ultra stabili, I ricercatori NPQC studiano come i difetti di spin possono essere usati per controllare le proprietà elettroniche e magnetiche del materiale. Le scoperte recenti hanno offerto alcune sorprese.

"Una comprensione fondamentale dei materiali magnetici su scala nanometrica e delle loro applicazioni nella spintronica ha già portato a un'enorme trasformazione nei dispositivi di memorizzazione e sensori magnetici. Lo sfruttamento della coerenza quantistica nei materiali magnetici potrebbe essere il prossimo passo verso l'elettronica a bassa potenza, " ha detto Peter Fischer, scienziato senior e vice di divisione nella divisione di scienze dei materiali presso il Berkeley Lab.

Le proprietà magnetiche di un materiale dipendono interamente dall'allineamento degli spin negli atomi adiacenti. A differenza degli spin ben allineati in un tipico magnete da frigorifero o dei magneti utilizzati nella classica memorizzazione dei dati, gli antiferromagneti hanno spin adiacenti che puntano in direzioni opposte e si annullano a vicenda. Di conseguenza, gli antiferromagneti non "agiscono" magnetici e sono estremamente robusti ai disturbi esterni. I ricercatori hanno a lungo cercato modi per usarli nell'elettronica basata sullo spin, dove le informazioni vengono trasportate tramite spin invece che a pagamento. La chiave per farlo è trovare un modo per manipolare l'orientamento della rotazione e mantenere la coerenza.

Nel 2019 i ricercatori NPQC guidati da James Analytis, uno scienziato della facoltà al Berkeley Lab e professore associato di fisica all'UC Berkeley, con il postdoc Eran Maniv, osservato che applicando un piccolo, un singolo impulso di corrente elettrica a minuscoli fiocchi di un antiferromagnete ha fatto ruotare gli spin e "cambiare" il loro orientamento. Di conseguenza, le proprietà del materiale possono essere regolate in modo estremamente rapido e preciso. "Comprendere la fisica alla base di questo richiederà più osservazioni sperimentali e alcuni modelli teorici, " ha detto Maniv. "Nuovi materiali potrebbero aiutare a rivelare come funziona. Questo è l'inizio di un nuovo campo di ricerca".

Ora, i ricercatori stanno lavorando per individuare l'esatto meccanismo che guida quel passaggio nei materiali fabbricati e caratterizzati presso la Molecular Foundry, una struttura per gli utenti al Berkeley Lab. Recenti scoperte, pubblicato su Science Advances and Nature Physics , suggeriscono che la messa a punto dei difetti in un materiale stratificato potrebbe fornire un mezzo affidabile per controllare il modello di rotazione nelle nuove piattaforme di dispositivi. "Questo è un notevole esempio di come avere molti difetti ci permetta di stabilizzare una struttura magnetica commutabile, " ha detto Moore, il leader dell'NPQC.

Filatura di nuovi fili

Nel suo prossimo anno di attività, NPQC si baserà sui progressi di quest'anno. Gli obiettivi includono l'esplorazione del modo in cui più difetti interagiscono nei materiali bidimensionali e lo studio di nuovi tipi di strutture unidimensionali che potrebbero sorgere. Queste strutture a dimensioni inferiori potrebbero rivelarsi sensori per rilevare le proprietà su scala più piccola di altri materiali. Inoltre, concentrarsi su come le correnti elettriche possono manipolare le proprietà magnetiche derivate dallo spin collegherà direttamente la scienza fondamentale alle tecnologie applicate.

Il rapido progresso in questi compiti richiede la combinazione di tecniche e competenze che possono essere create solo all'interno di un ampio quadro collaborativo. "Non sviluppi capacità in isolamento, " ha affermato Holt. "L'NPQC fornisce l'ambiente di ricerca dinamico che guida la scienza e sfrutta ciò che ogni laboratorio o struttura sta facendo". la futura industria quantistica.

Il NPQC porta una nuova serie di domande e obiettivi allo studio della fisica di base dei materiali quantistici. Moore ha detto, "La meccanica quantistica governa il comportamento degli elettroni nei solidi, e questo comportamento è alla base di gran parte della tecnologia moderna che diamo per scontata. Ma ora siamo all'inizio della seconda rivoluzione quantistica, dove proprietà come la coerenza sono al centro della scena, e capire come migliorare queste proprietà apre una nuova serie di domande sui materiali a cui rispondere".