Mediante el uso de fotones y qubits de espín de electrones para controlar los espines nucleares en un material bidimensional, los investigadores de la Universidad de Purdue han abierto una nueva frontera en la ciencia y la tecnología cuánticas, lo que permite aplicaciones como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear a escala atómica y la lectura y escritura cuántica. información con espines nucleares en materiales 2D.

Publicado el lunes (15 de agosto) en Nature Materials , el equipo de investigación utilizó qubits de espín de electrones como sensores a escala atómica y también para efectuar el primer control experimental de qubits de espín nuclear en nitruro de boro hexagonal ultrafino.

"Este es el primer trabajo que muestra la inicialización óptica y el control coherente de los giros nucleares en materiales 2D", dijo el autor correspondiente Tongcang Li, profesor asociado de física y astronomía e ingeniería eléctrica e informática de Purdue, y miembro del Instituto de Ingeniería y Ciencias Cuánticas de Purdue. .

"Ahora podemos usar la luz para inicializar espines nucleares y con ese control, podemos escribir y leer información cuántica con espines nucleares en materiales 2D. Este método puede tener muchas aplicaciones diferentes en memoria cuántica, detección cuántica y simulación cuántica".

La tecnología cuántica depende del qubit, que es la versión cuántica de un bit informático clásico. A menudo se construye con un átomo, una partícula subatómica o un fotón en lugar de un transistor de silicio. En un qubit de espín nuclear o electrónico, el estado binario familiar "0" o "1" de un bit de computadora clásico está representado por el espín, una propiedad que es vagamente análoga a la polaridad magnética, lo que significa que el espín es sensible a un campo electromagnético. Para realizar cualquier tarea, el giro primero debe ser controlado y coherente, o duradero.

Luego, el spin qubit se puede usar como un sensor, sondeando, por ejemplo, la estructura de una proteína o la temperatura de un objetivo con resolución a nanoescala. Los electrones atrapados en los defectos de los cristales de diamante 3D han producido imágenes y una resolución de detección en el rango de 10 a 100 nanómetros.

Pero los qubits incrustados en materiales de una sola capa o 2D pueden acercarse a una muestra de destino, ofreciendo una resolución aún mayor y una señal más fuerte. Allanando el camino hacia ese objetivo, el primer qubit de espín de electrones en nitruro de boro hexagonal, que puede existir en una sola capa, se construyó en 2019 al eliminar un átomo de boro de la red de átomos y atrapar un electrón en su lugar. Los llamados qubits de espín de electrones vacantes de boro también ofrecieron un camino tentador para controlar el espín nuclear de los átomos de nitrógeno que rodean cada qubit de espín de electrones en la red.

En este trabajo, Li y su equipo establecieron una interfaz entre fotones y espines nucleares en nitruros de boro hexagonales ultrafinos.

Los espines nucleares se pueden inicializar ópticamente (ajustar a un espín conocido) a través de los qubits de espín de electrones circundantes. Una vez inicializada, una radiofrecuencia se puede usar para cambiar el qubit de espín nuclear, esencialmente "escribiendo" información, o para medir cambios en los qubits de espín nuclear, o "leer" información. Su método aprovecha tres núcleos de nitrógeno a la vez, con tiempos de coherencia más de 30 veces más largos que los de los qubits de electrones a temperatura ambiente. Y el material 2D se puede superponer directamente sobre otro material, creando un sensor integrado.

"Una red de espín nuclear 2D será adecuada para la simulación cuántica a gran escala", dijo Li. "Puede funcionar a temperaturas más altas que los qubits superconductores".

Para controlar un qubit de espín nuclear, los investigadores comenzaron retirando un átomo de boro de la red y reemplazándolo con un electrón. El electrón ahora se encuentra en el centro de tres átomos de nitrógeno. En este punto, cada núcleo de nitrógeno se encuentra en un estado de espín aleatorio, que puede ser -1, 0 o +1.

A continuación, el electrón se bombea a un estado de espín 0 con luz láser, que tiene un efecto insignificante en el espín del núcleo de nitrógeno.

Finalmente, una interacción hiperfina entre el electrón excitado y los tres núcleos de nitrógeno circundantes fuerza un cambio en el giro del núcleo. Cuando el ciclo se repite varias veces, el espín del núcleo alcanza el estado +1, donde permanece independientemente de las interacciones repetidas. Con los tres núcleos configurados en el estado +1, se pueden usar como un trío de qubits.

En Purdue, a Li se unieron Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Peng Ju, Boyang Jiang, Zhujing Xu, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Sunil A. Bhave y Yong P. Chen, así como los colaboradores Kejun Li y Yuan. Ping en la Universidad de California, Santa Cruz, y Takashi Taniguchi y Kenji Watanabe en el Instituto Nacional de Ciencias de los Materiales de Japón.

"Polarización y control de espín nuclear en nitruro de boro hexagonal" se publica en Nature Materials . + Explora más

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