Por primera vez, los investigadores pudieron estudiar la interferencia cuántica en un sistema cuántico de tres niveles y así controlar el comportamiento de los espines de electrones individuales. Para tal fin, utilizaron una nueva nanoestructura en la que un sistema cuántico se integra en un oscilador mecánico a nanoescala en forma de voladizo de diamante. Física de la naturaleza ha publicado el estudio, que se llevó a cabo en la Universidad de Basilea y el Instituto Suizo de Nanociencia.

El espín del electrón es una propiedad fundamental de la mecánica cuántica. En el mundo cuántico el espín electrónico describe la dirección de rotación del electrón alrededor de su eje, que normalmente puede ocupar dos de los llamados estados propios, comúnmente denotados como "arriba" y "abajo". Las propiedades cuánticas del espín ofrecen perspectivas interesantes para las tecnologías futuras, por ejemplo, en forma de sensores cuánticos extremadamente precisos.

Combinando giros con osciladores mecánicos

Los investigadores dirigidos por el profesor Patrick Maletinsky y Ph.D. El candidato Arne Barfuss del Swiss Nanocience Institute de la Universidad de Basilea informa en Física de la naturaleza un nuevo método para controlar el espín cuántico con un sistema mecánico.

Para su estudio experimental, combinaron tal sistema cuántico con un oscilador mecánico. Más específicamente, los investigadores emplearon electrones atrapados en los llamados centros de vacantes de nitrógeno e incrustaron estos espines en resonadores mecánicos monocristalinos hechos de diamante.

Estos giros de nitrógeno vacante son especiales, en que poseen no solo dos, pero tres estados propios, que se puede describir como "arriba, "" abajo "y" cero ". Usando el acoplamiento especial de un oscilador mecánico al giro, demostraron por primera vez un control cuántico completo sobre un sistema de tres niveles, de una manera que antes no era posible.

En particular, el oscilador les permitió abordar las tres posibles transiciones en el giro y estudiar cómo las vías de excitación resultantes interfieren entre sí. Este escenario, conocido como "conducción en contorno cerrado, "nunca se ha investigado antes, pero abre interesantes perspectivas fundamentales y prácticas. Por ejemplo, su experimento permitió romper la simetría de inversión del tiempo, lo que significa que las propiedades del sistema se ven fundamentalmente diferentes si la dirección del tiempo se invierte que sin dicha inversión. En este escenario, la fase del oscilador mecánico determinó si el giro circulaba "en el sentido de las agujas del reloj" (dirección de rotación hacia arriba, abajo, cero, hacia arriba) o "en sentido antihorario".

Este concepto abstracto tiene consecuencias prácticas para los frágiles estados cuánticos. Similar al conocido experimento mental del gato de Schrödinger, los espines pueden existir simultáneamente en una superposición de dos o tres de los estados propios disponibles durante un cierto período, el llamado tiempo de coherencia cuántica.

Si los tres estados propios están acoplados entre sí utilizando la conducción de contorno cerrado descubierta aquí, el tiempo de coherencia se puede ampliar significativamente, como pudieron demostrar los investigadores. En comparación con los sistemas en los que solo se controlan dos de las tres posibles transiciones, la coherencia aumentó casi cien veces. Dicha protección de coherencia es un elemento clave para las futuras tecnologías cuánticas y otro resultado principal de este trabajo.

Los resultados tienen un gran potencial para futuras aplicaciones. Es concebible que el sistema híbrido de resonador-espín pueda usarse para la medición precisa de señales dependientes del tiempo con frecuencias en el rango de gigahercios, por ejemplo, en detección cuántica o procesamiento de información cuántica. Para señales dependientes del tiempo que emergen de objetos a nanoescala, estas tareas son actualmente muy difíciles de abordar de otra manera. Aquí, la combinación de giro y un sistema oscilante podría ser útil, en particular debido a la protección demostrada de la coherencia de espín.