I ricercatori hanno utilizzato qubit di spin di luce ed elettroni per controllare lo spin nucleare in un materiale 2D, aprendo una nuova frontiera nella scienza e nella tecnologia quantistica. Credito:Studio Secondbay
Utilizzando fotoni e qubit di spin di elettroni per controllare gli spin nucleari in un materiale bidimensionale, i ricercatori della Purdue University hanno aperto una nuova frontiera nella scienza e nella tecnologia quantistica, consentendo applicazioni come la spettroscopia di risonanza magnetica nucleare su scala atomica e per leggere e scrivere quantistica informazioni con spin nucleari in materiali 2D.
Come pubblicato lunedì (15 agosto) in Nature Materials , il team di ricerca ha utilizzato qubit di spin elettronico come sensori su scala atomica e anche per effettuare il primo controllo sperimentale dei qubit di spin nucleare in nitruro di boro esagonale ultrasottile.
"Questo è il primo lavoro che mostra l'inizializzazione ottica e il controllo coerente degli spin nucleari nei materiali 2D", ha affermato l'autore corrispondente Tongcang Li, professore associato di fisica e astronomia e ingegneria elettrica e informatica della Purdue e membro del Purdue Quantum Science and Engineering Institute .
"Ora possiamo usare la luce per inizializzare gli spin nucleari e con quel controllo, possiamo scrivere e leggere informazioni quantistiche con spin nucleari in materiali 2D. Questo metodo può avere molte applicazioni diverse nella memoria quantistica, nel rilevamento quantistico e nella simulazione quantistica".
La tecnologia quantistica dipende dal qubit, che è la versione quantistica di un bit di computer classico. È spesso costruito con un atomo, una particella subatomica o un fotone invece di un transistor al silicio. In un qubit di spin elettronico o nucleare, il familiare stato binario "0" o "1" di un bit di computer classico è rappresentato dallo spin, una proprietà che è vagamente analoga alla polarità magnetica, il che significa che lo spin è sensibile a un campo elettromagnetico. Per eseguire qualsiasi attività, la rotazione deve essere prima controllata e coerente, o durevole.
Lo spin qubit può quindi essere utilizzato come sensore, sondando, ad esempio, la struttura di una proteina o la temperatura di un target con risoluzione su scala nanometrica. Gli elettroni intrappolati nei difetti dei cristalli di diamante 3D hanno prodotto una risoluzione di imaging e rilevamento compresa tra 10 e 100 nanometri.
Ma i qubit incorporati in materiali a strato singolo o 2D possono avvicinarsi a un campione target, offrendo una risoluzione ancora più elevata e un segnale più forte. Aprendo la strada a tale obiettivo, il primo qubit di spin di elettroni in nitruro di boro esagonale, che può esistere in un singolo strato, è stato costruito nel 2019 rimuovendo un atomo di boro dal reticolo degli atomi e intrappolando un elettrone al suo posto. I cosiddetti qubit di spin dell'elettrone vacante di boro hanno anche offerto un percorso allettante per controllare lo spin nucleare degli atomi di azoto che circondano ciascun qubit di spin dell'elettrone nel reticolo.
In questo lavoro, Li e il suo team hanno stabilito un'interfaccia tra fotoni e spin nucleari in nitruri di boro esagonali ultrasottili.
Gli spin nucleari possono essere inizializzati otticamente, impostati su uno spin noto, tramite i qubit di spin degli elettroni circostanti. Una volta inizializzata, una frequenza radio può essere utilizzata per modificare il qubit di spin nucleare, essenzialmente "scrivendo" informazioni o per misurare i cambiamenti nei qubit di spin nucleare o "leggere" informazioni. Il loro metodo sfrutta tre nuclei di azoto alla volta, con tempi di coerenza più di 30 volte più lunghi rispetto a quelli dei qubit di elettroni a temperatura ambiente. E il materiale 2D può essere stratificato direttamente su un altro materiale, creando un sensore integrato.
"Un reticolo di spin nucleare 2D sarà adatto per la simulazione quantistica su larga scala", ha detto Li. "Può funzionare a temperature più elevate rispetto ai qubit superconduttori."
Per controllare un qubit di spin nucleare, i ricercatori hanno iniziato rimuovendo un atomo di boro dal reticolo e sostituendolo con un elettrone. L'elettrone ora si trova al centro di tre atomi di azoto. A questo punto, ogni nucleo di azoto è in uno stato di spin casuale, che può essere -1, 0 o +1.
Successivamente, l'elettrone viene pompato a uno stato di spin pari a 0 con la luce laser, che ha un effetto trascurabile sullo spin del nucleo di azoto.
Infine, un'interazione iperfine tra l'elettrone eccitato ei tre nuclei di azoto circostanti forza un cambiamento nello spin del nucleo. Quando il ciclo viene ripetuto più volte, lo spin del nucleo raggiunge lo stato +1, dove rimane indipendentemente dalle interazioni ripetute. Con tutti e tre i nuclei impostati sullo stato +1, possono essere usati come un trio di qubit.
A Purdue, Li è stato raggiunto da Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Peng Ju, Boyang Jiang, Zhujing Xu, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Sunil A. Bhave e Yong P. Chen, oltre ai collaboratori Kejun Li e Yuan Ping all'Università della California, Santa Cruz, e Takashi Taniguchi e Kenji Watanabe al National Institute for Materials Science in Giappone.
"Nuclear spin polarization and control in esagonale nitruro di boro" è pubblicato in Nature Materials . + Esplora ulteriormente
