En los diamantes (y otros materiales semiconductores), los defectos son el mejor amigo de un sensor cuántico. Esto se debe a que los defectos, esencialmente una disposición de átomos empujados, a veces contienen electrones con un momento angular, o espín, que puede almacenar y procesar información. Este "grado de libertad de giro" se puede aprovechar para diversos fines, como detectar campos magnéticos o crear una red cuántica.
Investigadores dirigidos por Greg Fuchs, Ph.D. '07, profesor de física aplicada y de ingeniería en Cornell Engineering, buscó tal espín en el popular semiconductor nitruro de galio y lo encontró, sorprendentemente, en dos especies distintas de defectos, uno de los cuales puede manipularse para futuras aplicaciones cuánticas. /P>
El artículo del grupo, "Resonancia magnética de espines individuales en GaN detectada ópticamente a temperatura ambiente", se publicó en Nature Materials. . El autor principal es el estudiante de doctorado Jialun Luo.
Los defectos son los que dan color a las gemas, por eso también se les conoce como centros de color. Los diamantes rosas, por ejemplo, obtienen su tono de defectos llamados centros de nitrógeno vacante. Sin embargo, hay muchos centros de color que aún no se han identificado, incluso en materiales de uso común.
"El nitruro de galio, a diferencia del diamante, es un semiconductor maduro. Ha sido desarrollado para electrónica de alta frecuencia de banda prohibida amplia, y ha sido un esfuerzo muy intenso durante muchos, muchos años", dijo Fuchs. "Puedes ir y comprar una oblea; probablemente esté en el cargador de tu ordenador o en tu coche eléctrico. Pero en términos de material para defectos cuánticos, no se ha explorado mucho".
Para buscar el grado de libertad de espín en el nitruro de galio, Fuchs y Luo se asociaron con Farhan Rana, profesor de ingeniería Joseph P. Ripley, y el estudiante de doctorado Yifei Geng, con quien previamente habían explorado el material.
El grupo utilizó microscopía confocal para identificar los defectos mediante sondas fluorescentes y luego realizó una serie de experimentos, como medir cómo cambia la tasa de fluorescencia de un defecto en función del campo magnético y usar un pequeño campo magnético para impulsar las transmisiones resonantes de espín del defecto. todo a temperatura ambiente.
"Al principio, los datos preliminares mostraron signos de estructuras de espín interesantes, pero no pudimos impulsar la resonancia del espín", dijo Luo. "Resulta que necesitábamos conocer los ejes de simetría del defecto y aplicar un campo magnético en la dirección correcta para probar las resonancias; los resultados nos trajeron más preguntas esperando ser resueltas."
Los experimentos mostraron que el material tenía dos tipos de defectos con espectros de espín distintos. En uno, el espín estaba acoplado a un estado excitado metaestable; en el otro, estaba acoplado al estado fundamental.
En el último caso, los investigadores pudieron ver cambios de fluorescencia de hasta un 30 % cuando impulsaron la transición de espín, un cambio grande en contraste y relativamente raro para un espín cuántico a temperatura ambiente.
"Por lo general, la fluorescencia y el espín están unidos muy débilmente, por lo que cuando se cambia la proyección del espín, la fluorescencia podría cambiar en un 0,1% o algo muy, muy pequeño", dijo Fuchs. "Desde el punto de vista tecnológico, eso no es genial porque se necesita un gran cambio para poder medirlo de forma rápida y eficiente".
Luego, los investigadores realizaron un experimento de control cuántico. Descubrieron que podían manipular el espín del estado fundamental y que tenía coherencia cuántica, una cualidad que permite que los bits cuánticos, o qubits, retengan su información.
"Eso es algo muy emocionante acerca de esta observación", dijo Fuchs. "Aún queda mucho trabajo fundamental por hacer, y hay muchas más preguntas que respuestas. Pero el descubrimiento básico del efecto en este centro de color, el hecho de que tiene un fuerte contraste de efecto de hasta el 30%, que existe en un material semiconductor maduro, lo que abre todo tipo de posibilidades interesantes que ahora estamos emocionados de explorar".
Más información: Jialun Luo et al, Resonancia magnética de espines individuales detectada ópticamente a temperatura ambiente en GaN, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01803-5
Proporcionado por la Universidad de Cornell
