Nei diamanti (e in altri materiali semiconduttori), i difetti sono i migliori amici di un sensore quantistico. Questo perché i difetti, essenzialmente una disposizione di atomi, a volte contengono elettroni con un momento angolare, o spin, che possono immagazzinare ed elaborare informazioni. Questo "grado di libertà di rotazione" può essere sfruttato per una serie di scopi, come il rilevamento di campi magnetici o la creazione di una rete quantistica.

I ricercatori guidati da Greg Fuchs, Ph.D. '07, professore di fisica applicata e ingegneristica alla Cornell Engineering, è andato alla ricerca di tale rotazione nel popolare semiconduttore nitruro di gallio e l'ha trovata, sorprendentemente, in due distinte specie di difetto, una delle quali può essere manipolata per future applicazioni quantistiche. /P>

L'articolo del gruppo, "Risonanza magnetica rilevata otticamente a temperatura ambiente di spin singoli in GaN", è stato pubblicato su Nature Materials . L'autore principale è il dottorando Jialun Luo.

I difetti sono ciò che dà alle gemme il loro colore e per questo motivo sono conosciuti anche come centri di colore. I diamanti rosa, ad esempio, ottengono la loro tonalità da difetti chiamati centri di azoto vacanti. Tuttavia, ci sono molti centri di colore che devono ancora essere identificati, anche nei materiali comunemente usati.

"Il nitruro di gallio, a differenza del diamante, è un semiconduttore maturo. È stato sviluppato per l'elettronica ad alta frequenza con ampio gap di banda, e questo è stato uno sforzo molto intenso nel corso di molti, molti anni", ha detto Fuchs. "Puoi andare a comprarne un wafer; è nel caricatore del tuo computer, probabilmente, o nell'auto elettrica. Ma in termini di materiale per difetti quantistici, non è stato esplorato molto."

Per cercare il grado di libertà dello spin nel nitruro di gallio, Fuchs e Luo hanno collaborato con Farhan Rana, il professore di ingegneria Joseph P. Ripley, e lo studente di dottorato Yifei Geng, con il quale avevano precedentemente esplorato il materiale.

Il gruppo ha utilizzato la microscopia confocale per identificare i difetti tramite sonde fluorescenti e poi ha condotto una serie di esperimenti, come misurare come il tasso di fluorescenza di un difetto cambia in funzione del campo magnetico e utilizzare un piccolo campo magnetico per guidare le trasmissioni risonanti di spin del difetto. il tutto a temperatura ambiente.

"All'inizio, i dati preliminari mostravano segni di interessanti strutture di spin, ma non potevamo guidare la risonanza di spin", ha detto Luo. "Si è scoperto che avevamo bisogno di conoscere gli assi di simmetria del difetto e applicare un campo magnetico lungo la direzione corretta per sondare le risonanze; i risultati ci hanno portato altre domande in attesa di essere risolte."

Gli esperimenti hanno mostrato che il materiale presentava due tipi di difetti con spettri di spin distinti. In uno, lo spin era accoppiato a uno stato eccitato metastabile; nell'altro, era accoppiato allo stato fondamentale.

In quest'ultimo caso, i ricercatori sono stati in grado di osservare cambiamenti di fluorescenza fino al 30% quando hanno guidato la transizione dello spin:un grande cambiamento in contrasto e relativamente raro per uno spin quantistico a temperatura ambiente.

"Di solito, la fluorescenza e lo spin sono legati insieme molto debolmente, quindi quando si cambia la proiezione dello spin, la fluorescenza potrebbe cambiare dello 0,1% o qualcosa di molto, molto piccolo", ha detto Fuchs. "Dal punto di vista tecnologico, questo non è eccezionale perché vuoi un grande cambiamento in modo da poterlo misurare in modo rapido ed efficiente."

I ricercatori hanno quindi eseguito un esperimento di controllo quantistico. Hanno scoperto che potevano manipolare lo spin dello stato fondamentale e che aveva coerenza quantistica, una qualità che consente ai bit quantistici, o qubit, di conservare le proprie informazioni.

"Questo è qualcosa di piuttosto eccitante in questa osservazione", ha detto Fuchs. "C'è ancora molto lavoro fondamentale da fare, e ci sono molte più domande che risposte. Ma la scoperta fondamentale dello spin in questo centro di colore, il fatto che abbia un forte contrasto di spin fino al 30%, che esiste in un materiale semiconduttore maturo e questo apre tutti i tipi di possibilità interessanti che ora siamo entusiasti di esplorare."

Ulteriori informazioni: Jialun Luo et al, Risonanza magnetica rilevata otticamente a temperatura ambiente di singoli spin in GaN, Materiali naturali (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01803-5

Fornito dalla Cornell University