Esquema del cristal YSO con Ce incrustado 3+ . A una distancia de 6 Å, 29 Se detecta acoplamiento de Si (magenta), mas remoto 29 Si no se puede distinguir (azul). Crédito:Kornher et al.
Los minerales de tierras raras son una clase de materiales con propiedades similares que se utilizan actualmente para construir una variedad de dispositivos, incluidos los LED, baterías recargables, imanes láseres y mucho más. Los espines de electrones de estos materiales pueden alojarse en cristales, creando sistemas con características únicas que podrían servir como interfaces entre los fotones de la banda de telecomunicaciones y los bits cuánticos de espín de larga duración.
Curiosamente, estos sistemas presentan espines de electrones que interactúan con espines nucleares circundantes, y por lo tanto podrían ser particularmente útiles para el desarrollo de herramientas de memoria cuántica. Hasta aquí, sin embargo, ningún investigador pudo sentir o detectar espines nucleares proximales alojados en cristales relacionados con tierras raras.
En un estudio presentado en Cartas de revisión física , investigadores de la Universidad de Stuttgart y el Centro de Investigación de Ciencias Computacionales de Beijing lograron detectar estos espines nucleares proximales, más específicamente, los cercanos soltero Ce 3+ iones alojados en un cristal de ortosilicato de itrio (YSO). Su estudio se basó en un artículo anterior publicado en Comunicaciones de la naturaleza , en el que exploraron las propiedades coherentes de iones de tierras raras individuales alojados en un cristal diferente.
"Nuestro estudio anterior se realizó en un cristal YAG, que tiene un baño de centrifugado aún más denso que YSO, y mostró un tiempo de interacción coherente relativamente corto para los espines de electrones investigados, "Roman Kolesov, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "El tiempo de coherencia medido dio la motivación para investigar el cerio en otro cristal huésped con un baño de giro nuclear ligeramente más diluido, a saber, YSO, que todavía tiene una cantidad considerable de isótopos de espín nuclear con 100% de itrio-89 y 5% de silicio-29 ".
En su nuevo estudio, Kolesov y sus colegas querían investigar los espines de electrones con un tiempo de coherencia prolongado, que es lo que finalmente los llevó a examinar materiales de tierras raras en un cristal anfitrión YSO. Un tiempo de coherencia suficientemente largo De hecho, en última instancia, les permitiría sentir espines nucleares externos, que era el objetivo principal de su trabajo.
Izquierda:Imagen de microlentes fabricadas que se utilizan para estudiar ópticamente los iones de tierras raras. Derecha:Imagen de microscopio de escaneo láser de iones de tierras raras dentro de una microlente. Crédito:Kornher et al.
"Los espines nucleares individuales se pueden detectar en función de las señales de fluorescencia de los iones de tierras raras investigados, "Thomas Kornher, uno de los investigadores que realizó el estudio, dijo Phys.org. "En nuestros experimentos, excitamos el electrón de cerio con pulsos de láser polarizados circularmente en un estado de espín específico. Usando un campo de microondas, luego, el giro se llevó a un estado de superposición, que puede detectar la perturbación de espines nucleares externos ".
Kolesov, Kornher y sus colegas pudieron extraer esta perturbación de espines nucleares externos, como una señal fluorescente emitida por otra secuencia de pulsos láser. Más destacado, extrajeron con éxito la señal de un espín nuclear externo individual en un baño de espín nuclear denso. Así, su artículo estableció iones de tierras raras individuales como sondas valiosas para detectar espines nucleares individuales en su entorno.
"Si considera los espines nucleares individuales direccionables como un recurso potencialmente útil en tecnologías cuánticas, como los esquemas de corrección de errores cuánticos, luego, detectarlos basándose en iones de tierras raras individuales proporciona acceso a una amplia gama de materiales, que ahora se puede considerar para aplicaciones cuánticas, ", Dijo Kornher." La amplia gama de nuevos materiales se basa en el dopaje versátil de iones de tierras raras en huéspedes de estado sólido, que es un campo bien estudiado que se basa en investigaciones sobre la física del láser ".
El reciente estudio realizado por este equipo de investigadores reunió nuevos hallazgos importantes que podrían abrir nuevas posibilidades para el desarrollo de aplicaciones de memoria cuántica utilizando sistemas de iones de tierras raras. que se basan en espines nucleares ambientales acoplados. En su trabajo futuro, Kolesov, A Kornher y sus colegas les gustaría investigar la inicialización del espín nuclear que podría permitir el acceso a espines nucleares. Más específicamente, planean manipular los espines nucleares individuales detectados en su estudio reciente e implementar puertas de lógica cuántica en ellos.
"Una metáfora para explicar los logros de nuestro estudio podría ser que pudimos escuchar el tono muy tranquilo de un mosquito (sea incluso un mosquito cuántico) en una calle con mucho tráfico (baño giratorio), "Dijo Kolesov." Hasta ahora, solo podemos escucharlo, pero la siguiente tarea sería controlar su vuelo y el objetivo final sería controlar varios mosquitos a la vez distinguiéndolos por sus voces ligeramente diferentes ".
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