Créditos: Imagen: Cortesía de los investigadores

Los dispositivos electrónicos generalmente usan la carga de los electrones, pero el giro, su otro grado de libertad, está comenzando a ser explotado. Los defectos de espín hacen que los materiales cristalinos sean muy útiles para dispositivos cuánticos, como sensores cuánticos ultrasensibles, dispositivos de memoria cuántica o sistemas para simular la física de los efectos cuánticos. Variar la densidad de espín en los semiconductores puede conducir a nuevas propiedades en un material, algo que los investigadores han querido explorar durante mucho tiempo, pero esta densidad suele ser fugaz y esquiva, por lo que es difícil de medir y controlar localmente.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y otros lugares ha encontrado una manera de ajustar la densidad de espín del diamante, cambiándola por un factor de dos, mediante la aplicación de un láser externo o un haz de microondas. El hallazgo, publicado esta semana en la revista PNAS, podría abrir muchas posibilidades nuevas para dispositivos cuánticos avanzados, dicen los autores. El artículo es una colaboración entre alumnos actuales y anteriores de los profesores Paola Cappellaro y Ju Li en el MIT, y colaboradores en el Politécnico de Milán. El primer autor del artículo, Guoqing Wang PhD ´23, trabajó en su tesis doctoral en el laboratorio de Cappellaro y ahora es un postdoctorado en el MIT.

Un tipo específico de defecto de espín conocido como centro de vacancia de nitrógeno (NV) en el diamante es uno de los sistemas más estudiados por su uso potencial en una amplia variedad de aplicaciones cuánticas. El giro de los centros NV es sensible a cualquier perturbación física, eléctrica u óptica, lo que los convierte en detectores potencialmente muy sensibles. “Los defectos de espín de estado sólido son una de las plataformas cuánticas más prometedoras”, dice Wang, en parte porque pueden funcionar en condiciones ambientales a temperatura ambiente. Muchos otros sistemas cuánticos requieren entornos ultrafríos u otros entornos especializados.

“Las capacidades de detección a nanoescala de los centros NV los hacen prometedores para probar la dinámica en su entorno de giro, manifestando una rica física cuántica de muchos cuerpos aún por comprender”, agrega Wang. "Un gran defecto de espín en el entorno, llamado centro P1, generalmente puede ser de 10 a 100 veces más poblado que el centro NV y, por lo tanto, puede tener interacciones más fuertes, lo que los hace ideales para estudiar la física de muchos cuerpos".

Pero para ajustar sus interacciones, los científicos deben poder cambiar la densidad de espín, algo que rara vez se había logrado anteriormente. Con este nuevo enfoque, dice Wang, “podemos ajustar la densidad de giro para que proporcione una perilla potencial para ajustar realmente dicho sistema. Esa es la novedad clave de nuestro trabajo”.

Tal sistema sintonizable podría proporcionar formas más flexibles de estudiar la hidrodinámica cuántica, dice Wang. Más inmediatamente, el nuevo proceso se puede aplicar a algunos dispositivos de detección cuántica a nanoescala existentes como una forma de mejorar su sensibilidad.

Li, quien tiene un puesto conjunto en los departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, explica que las computadoras y los sistemas de procesamiento de información actuales se basan en el control y la detección de cargas eléctricas, pero algunos dispositivos innovadores están comenzando a ser útiles. de la propiedad llamada espín. La empresa de semiconductores Intel, por ejemplo, ha estado experimentando con nuevos tipos de transistores que acoplan el giro y la carga, abriendo potencialmente el camino a los dispositivos basados ​​en la espintrónica.

"Los transistores CMOS tradicionales usan mucha energía", dice Li, "pero si usa el espín, como en este diseño de Intel, puede reducir mucho el consumo de energía". La compañía también ha desarrollado dispositivos qubit de espín de estado sólido para computación cuántica, y "el espín es algo que la gente quiere controlar en los sólidos porque es más eficiente energéticamente y también es un portador de información cuántica".

En el estudio de Li y sus colegas, el nivel de control recientemente logrado sobre la densidad de espín permite que cada centro NV actúe como una especie de "radar" a escala atómica que puede detectar y controlar los espines cercanos. “Básicamente usamos un defecto NV particular para detectar los giros electrónicos y nucleares circundantes. Este sensor cuántico revela el entorno de giro cercano y cómo se ve afectado dinámicamente por el flujo de carga, que en este caso es bombeado por el láser”, dice Li.

Este sistema hace posible cambiar dinámicamente la concentración de espín por un factor de dos, dice. En última instancia, esto podría conducir a dispositivos en los que un defecto de un solo punto o un solo átomo podría ser la unidad computacional básica. “A la larga, un defecto de un solo punto, y el giro localizado y la carga localizada en ese defecto de un solo punto, pueden ser una lógica informática. Puede ser un qubit, puede ser una memoria, puede ser un sensor”, dice.

Añade que queda mucho trabajo por hacer para desarrollar este fenómeno recién descubierto. “Todavía no hemos llegado exactamente”, dice, pero lo que han demostrado hasta ahora muestra que “realmente han reducido la medición y el control del estado de espín y carga de los defectos puntuales a un nivel sin precedentes. Entonces, a la larga, creo que esto respaldaría el uso de defectos individuales, o una pequeña cantidad de defectos, para convertirse en dispositivos de detección y procesamiento de información”.

En este trabajo hasta el momento, dice Wang, "encontramos este fenómeno y lo demostramos", pero se necesita más trabajo para comprender completamente el mecanismo físico de lo que está ocurriendo en estos sistemas. “Nuestro próximo paso es profundizar más en la física, por lo que nos gustaría saber mejor cuál es el mecanismo físico subyacente” detrás de los efectos que ven. A largo plazo, "con una mejor comprensión de estos sistemas, esperamos explorar más ideas de detección y simulación cuántica, como la simulación de hidrodinámica cuántica interesante e incluso el transporte de información cuántica entre diferentes defectos de espín".

Los hallazgos fueron posibles, en parte, gracias al desarrollo por parte del equipo de una nueva configuración de imágenes de campo amplio que les permite medir muchas ubicaciones espaciales diferentes dentro del material cristalino simultáneamente, utilizando una matriz de detectores rápidos de un solo fotón, combinada con un microscopio. "Podemos obtener una imagen espacial de la distribución de la densidad en diferentes especies de espín, como una huella dactilar, y la dinámica del transporte de carga", aunque ese trabajo aún es preliminar, dice Wang.

Aunque su trabajo se realizó con diamantes cultivados en laboratorio, los principios podrían aplicarse a otros defectos cristalinos de estado sólido, dice. Los centros de NV en diamante han sido atractivos para la investigación porque pueden usarse a temperatura ambiente y ya han sido bien estudiados. Pero los centros de vacantes de silicio, los donantes en silicio, los iones de tierras raras en los sólidos y otros materiales cristalinos pueden tener diferentes propiedades que podrían resultar útiles para determinados tipos de aplicaciones.

“A medida que avanza la ciencia de la información, eventualmente las personas podrán controlar las posiciones y la carga de átomos y defectos individuales. Esa es la visión a largo plazo”, dice Li. “Si puede tener cada átomo almacenando información diferente, es una capacidad de procesamiento y almacenamiento de información mucho mayor” en comparación con los sistemas existentes donde incluso un solo bit es almacenado por un dominio magnético de muchos átomos. "Se puede decir que es el límite último de la Ley de Moore: finalmente se reduce a un defecto o un átomo".

Si bien algunas aplicaciones pueden requerir mucha más investigación para desarrollarse a un nivel práctico, para algunos tipos de sistemas de detección cuántica, los nuevos conocimientos se pueden traducir rápidamente en usos del mundo real, dice Wang. “Podemos mejorar inmediatamente el rendimiento de los sensores cuánticos en función de nuestros resultados”, dice.

“En general, este resultado es muy emocionante para el campo de los defectos de espín de estado sólido”, dice Chong Zu, profesor asistente de física en la Universidad de Washington en St. Louis, que se especializa en información cuántica pero no participó en este trabajo. "En particular, presenta un poderoso enfoque de uso de la dinámica de ionización de carga para ajustar continuamente la densidad del defecto de espín local, lo cual es importante en el contexto de las aplicaciones de los centros NV para la simulación y detección cuánticas".

El equipo de investigación incluyó a Changhao Li, Hao Tang, Boning Li, Francesca Madonini, Faisal Alsallom y Won Kyu Calvin Sun, todos del MIT; Pai Peng en la Universidad de Princeton; y Federica Villa en el Politecnico de Milano, en Italia. El trabajo fue apoyado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU.

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MIT

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