Los electrones están muy a merced de los campos magnéticos, que los científicos pueden manipular para controlar los electrones y su momento angular, es decir. su "giro".

Un equipo de Cornell dirigido por Greg Fuchs, profesor asistente de física aplicada e ingeniería en la Facultad de Ingeniería, en 2013 inventó una nueva forma de ejercer este control mediante el uso de ondas acústicas generadas por resonadores mecánicos. Ese enfoque permitió al equipo controlar las transiciones de espín de los electrones (también conocidas como resonancia de espín) que de otro modo no serían posibles mediante el comportamiento magnético convencional.

El hallazgo fue una bendición para cualquiera que busque construir sensores cuánticos del tipo que se usa en los dispositivos de navegación móviles. Sin embargo, tales dispositivos todavía requerían un campo de control magnético y, por lo tanto, una antena magnética voluminosa, para impulsar ciertas transiciones de giro.

Ahora, El grupo de Fuchs ha demostrado que estas transiciones pueden ser impulsadas únicamente por la acústica. Esto elimina la necesidad de la antena magnética, permitiendo a los ingenieros construir más pequeños, Sensores acústicos más eficientes en el consumo de energía que se pueden empaquetar de manera más compacta en un solo dispositivo.

El papel del equipo, "Impulsando acústicamente la transición de giro cuántico único de los centros de vacantes de nitrógeno de diamante, "publicado el 27 de mayo en Revisión física aplicada .

"Puede utilizar un campo magnético para impulsar estas transiciones de giro, pero un campo magnético es en realidad un campo muy extenso, objeto grande, "Dijo Fuchs." En contraste, las ondas acústicas pueden ser muy limitadas. Entonces, si está pensando en controlar diferentes regiones de giros dentro de su chip, local e independientemente, entonces hacerlo con ondas acústicas es un enfoque sensato ".

Para impulsar las transiciones de espín de los electrones, Fuchs y Huiyao Chen '20, el autor principal del artículo, centros usados ​​de nitrógeno vacante (NV), que son defectos en la red cristalina de un diamante. Los resonadores acústicos son dispositivos de sistemas microelectromecánicos (MEMS) equipados con un transductor. Cuando se aplica voltaje, el dispositivo vibra, enviando ondas acústicas de 2 a 3 gigahercios en el cristal. Estas frecuencias provocan tensión y estrés en el defecto, lo que da como resultado la resonancia del espín del electrón.

Una complicación:este proceso también excita el campo magnético, por lo que los investigadores nunca han estado completamente seguros del efecto de las vibraciones mecánicas frente al efecto de las oscilaciones magnéticas. Así que Fuchs y Chen se propusieron medir minuciosamente el acoplamiento entre las ondas acústicas y la transición de giro, y compararlo con los cálculos propuestos por los físicos teóricos.

"Pudimos establecer por separado la parte magnética y la parte acústica, y, por lo tanto, medir ese coeficiente desconocido que determina la fuerza con la que la transición cuántica única se acopla a las ondas acústicas, Fuchs dijo. La respuesta fue:para nuestra sorpresa y deleite, que es un orden de magnitud mayor de lo previsto. Eso significa que de hecho puede diseñar dispositivos de resonancia de espín totalmente acústicos que serían excelentes sensores de campo magnético, por ejemplo, pero no necesita un campo de control magnético para ejecutarlos ".

Fuchs está trabajando con el Centro de Licencias de Tecnología de Cornell para patentar el descubrimiento, que podría tener importantes aplicaciones en la tecnología de navegación.

"Hay un esfuerzo significativo en todo el país para fabricar sensores de campo magnético altamente estables con centros Diamond NV, "Dijo Fuchs." La gente ya está construyendo estos dispositivos basados ​​en resonancia magnética convencional usando antenas magnéticas. Creo que nuestro descubrimiento tendrá un gran beneficio en términos de cuán compacto se puede hacer y la capacidad de hacer sensores independientes que están poco espaciados ".