La Resonancia Sonora se Utiliza para Mantener una Alta Coherencia en los Orbitales-Espín de los Electrones del Diamante Monocristalino

Según informa Syl Kacapyr en la Universidad de Cornell:

Mientras que los defectos en un diamante son en su mayoría indeseables, ciertos defectos son el mejor amigo de un físico cuántico, ya que tienen el potencial de almacenar bits de información que algún día podrían utilizarse en un sistema de computación cuántica.

Físicos que trabajan en física aplicada en Cornell, han demostrado una técnica de ingeniería de algunas de las propiedades ópticas clave de esos defectos, proporcionando una nueva herramienta para explorar la mecánica cuántica.

Un grupo de investigadores dirigido por Greg Fuchs, profesor de física aplicada y de ingeniería, ha sido el primero en utilizar las vibraciones producidas por un resonador para ayudar a estabilizar esas propiedades ópticas, forzando a los electrones del diamante a un estado orbital excitado. La investigación se detalla en el artículo “Orbital State Manipulation of a Diamond Nitrogen-Vacancy Center Using a Mechanical Resonator", publicado el 17 de abril en la revista Physical Review Letters.

Al igual que los transistores de un computador registran información binaria al estar "encendidos" o "apagados", los estados internos de estos defectos de diamante a escala atómica también pueden representar bits de información, como su espín -una forma intrínseca de momento angular- al estar "arriba" o "abajo". Pero a diferencia de los transistores, que sólo tienen dos estados, el espín posee la capacidad cuántica de estar arriba y abajo al mismo tiempo. Utilizados en combinación, estos estados cuánticos podrían registrar y compartir información exponencialmente mejor que los transistores, permitiendo a los computadores realizar ciertos cálculos a velocidades inimaginables.

El reto: es difícil transferir información cuántica de un lugar a otro. Los físicos han experimentado con una serie de materiales y técnicas para hacerlo, incluido el uso de las propiedades ópticas dentro de los defectos atómicos de los diamantes conocidos como centros de vacantes de nitrógeno.

"Los centros de vacantes de nitrógeno del diamante pueden ser bastante buenos en la comunicación. Se puede tener un espín de electrón, que es un buen estado cuántico, y luego se puede transferir su estado a un fotón de luz", dijo Fuchs, quien añadió que el fotón puede entonces llevar ese bit de información a otro defecto. "Uno de los retos de hacer eso es estabilizarlo y hacer que funcione como uno quiere. Hemos proporcionado una nueva caja de herramientas para la ingeniería de esa transición óptica de manera que esperamos que sea mejor".

Primero fue necesario que el equipo de investigación diseñara un dispositivo que pudiera enviar ondas vibratorias a través del defecto del diamante. Se fabricó un resonador mecánico de frecuencia de gigahercios a partir de un diamante monocristalino, y luego se enviaron ondas sonoras que vibraban a aproximadamente 1 gigahercio a través del defecto.

El objetivo era utilizar el sonido para cambiar las transiciones ópticas del defecto, en las que el cambio de un estado energético a otro da lugar a la emisión de un fotón. Estas transiciones tienden a fluctuar en función de las distintas condiciones ambientales, lo que dificulta la producción de fotones coherentes para transportar información.

Por ejemplo, los campos eléctricos que fluctúan aleatoriamente pueden hacer inestable la longitud de onda de la transición óptica, según Huiyao Chen, estudiante de doctorado que dirigió el estudio.

"Para suprimir el efecto de estas fluctuaciones incoherentes", dijo Chen, "una cosa que podemos hacer es eliminar el acoplamiento entre el orbital del electrón y los campos eléctricos aleatorios no deseados. Y ahí es donde entran en juego las ondas sonoras producidas por el resonador".

Para saber si el experimento funcionaba, el equipo de investigación utilizó un microscopio con un láser de longitud de onda sintonizable para escanear el centro de vacantes de nitrógeno del diamante. Cuando la longitud de onda del láser estaba en resonancia con la transición óptica, se podía ver un fotón emitido, un indicador seguro de que los electrones habían alcanzado un estado excitado. Los investigadores estudiaron entonces cómo las ondas sonoras podían alterar los estados orbitales y, por tanto, cambiar la transición óptica.

El estudio ha sido financiado por la Oficina de Investigación Naval, con el apoyo de la Cornell NanoScale Science and Technology Facility y el Cornell Center for Materials Research.

Explora más: Electron spins controlled using sound waves

Más información: H. Y. Chen et al, Orbital State Manipulation of a Diamond Nitrogen-Vacancy Center Using a Mechanical Resonator, Physical Review Letters (2018). DOI: 10.1103/PhysRevLett.120.167401

Artículo: Cornell University: electron orbitals manipulated in diamond using a gigahertz mechanical resonator