Si bien los defectos en un diamante son en su mayoría indeseables, ciertos defectos son el mejor amigo de un físico cuántico, tener el potencial de almacenar bits de información que algún día podrían usarse en un sistema de computación cuántica.

Los físicos aplicados de la Universidad de Cornell han demostrado una técnica para diseñar 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 e ingeniería, se han convertido en los primeros en utilizar 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 "Manipulación del estado orbital de un centro de vacantes de nitrógeno de diamante utilizando un resonador mecánico, "publicado el 17 de abril en la revista Cartas de revisión física .

Al igual que los transistores de una computadora 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 giro, una forma intrínseca de momento angular, que está "arriba" o "abajo". Pero a diferencia de los transistores, que solo tienen dos estados, el giro posee la capacidad cuántica de subir y bajar al mismo tiempo. Usado en combinación, estos estados cuánticos podrían registrar y compartir información exponencialmente mejor que los transistores, permitiendo que las computadoras realicen ciertos cálculos a velocidades inimaginables.

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

"Una cosa en la que los centros de vacantes de nitrógeno de diamantes pueden ser bastante buenos es en la comunicación. Por lo tanto, puede tener un espín de electrones, que es un buen estado cuántico, entonces puedes transferir su estado a un fotón de luz, "dijo Fuchs, quien agregó que el fotón puede llevar esa información a otro defecto. "Uno de los desafíos de hacer eso es estabilizarlo y hacer que funcione de la manera deseada. Hemos proporcionado una nueva caja de herramientas para diseñar esa transición óptica de manera que, con suerte, la mejore".

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, 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 el que el cambio de un estado energético a otro da como resultado la emisión de un fotón. Estas transiciones tienden a fluctuar en función de diversas condiciones ambientales, lo que dificulta la producción de fotones coherentes para transportar información.

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

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

Para saber si el experimento funcionó, El equipo de investigación usó 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. Luego, los investigadores estudiaron cómo las ondas sonoras podrían alterar los estados orbitales, y así cambiar la transición óptica.