Обнаружение и контроль микроскопической спиновой плотности в материалах

Изображения для загрузки на веб-сайте офиса новостей MIT предоставляются некоммерческим организациям, прессе и широкой публике в соответствии с некоммерческой лицензией Creative Commons «С указанием авторства». Вы не можете изменять предоставленные изображения, кроме как обрезать их до нужного размера. При воспроизведении изображений необходимо использовать кредитную линию; если оно не указано ниже, укажите авторство изображений в «MIT».

Предыдущее изображение Следующее изображение

Электронные устройства обычно используют заряд электронов, но начинает использоваться спин — другая степень свободы. Спиновые дефекты делают кристаллические материалы очень полезными для квантовых устройств, таких как сверхчувствительные квантовые датчики, устройства квантовой памяти или системы для моделирования физики квантовых эффектов. Изменение спиновой плотности в полупроводниках может привести к появлению новых свойств материала — что исследователи давно хотели изучить — но эта плотность обычно мимолетна и неуловима, поэтому ее трудно измерить и контролировать локально.

Теперь группа исследователей из Массачусетского технологического института и других организаций нашла способ настроить спиновую плотность в алмазе, изменив ее в два раза, путем применения внешнего лазерного или микроволнового луча. По словам авторов, открытие, о котором сообщалось на этой неделе в журнале PNAS, может открыть множество новых возможностей для передовых квантовых устройств. Статья представляет собой результат сотрудничества нынешних и бывших студентов профессоров Паолы Каппелларо и Ху Ли из Массачусетского технологического института, а также сотрудников Миланского политехнического университета. Первый автор статьи, Гуоцин Ван, доктор философии '23, работал над своей докторской диссертацией в лаборатории Каппелларо и сейчас является постдоком в Массачусетском технологическом институте.

Особый тип спинового дефекта, известный как центр азотной вакансии (NV) в алмазе, является одной из наиболее широко изученных систем с точки зрения его потенциального использования в самых разных квантовых приложениях. Спин NV-центров чувствителен к любым физическим, электрическим или оптическим возмущениям, что делает их потенциально высокочувствительными детекторами. «Твердотельные спиновые дефекты — одна из наиболее многообещающих квантовых платформ», — говорит Ван, отчасти потому, что они могут работать в условиях комнатной температуры. Многие другие квантовые системы требуют ультрахолода или других специализированных сред.

«Наноразмерные сенсорные возможности NV-центров делают их перспективными для исследования динамики в их спиновой среде, демонстрируя богатую квантовую физику многих тел, которую еще предстоит понять», — добавляет Ван. «Основной дефект спина в окружающей среде, называемый центром P1, обычно может быть в 10–100 раз более густонаселенным, чем NV-центр, и, следовательно, может иметь более сильные взаимодействия, что делает их идеальными для изучения физики многих тел».

Но чтобы настроить их взаимодействия, ученым необходимо иметь возможность изменять спиновую плотность, чего раньше редко достигалось. По словам Вана, благодаря этому новому подходу «мы можем настроить плотность вращения так, чтобы она стала потенциальной ручкой для реальной настройки такой системы». Это ключевая новизна нашей работы».

По словам Ванга, такая настраиваемая система могла бы обеспечить более гибкие способы изучения квантовой гидродинамики. В ближайшем будущем новый процесс может быть применен к некоторым существующим наноразмерным квантовым сенсорным устройствам в качестве способа повышения их чувствительности.

Ли, занимающий совместную должность на кафедрах ядерной науки и техники и материаловедения и инженерии Массачусетского технологического института, объясняет, что современные компьютеры и системы обработки информации основаны на контроле и обнаружении электрических зарядов, но некоторые инновационные устройства начинают использовать свойства, называемого спином. Полупроводниковая компания Intel, например, экспериментирует с новыми типами транзисторов, которые связывают вращение и заряд, потенциально открывая путь к устройствам на основе спинтроники.

«Традиционные КМОП-транзисторы потребляют много энергии, — говорит Ли, — но если вы используете вращение, как в этой конструкции Intel, то вы можете значительно снизить энергопотребление». Компания также разработала твердотельные устройства со спиновым кубитом для квантовых вычислений, и «спин — это то, чем люди хотят управлять в твердых телах, потому что он более энергоэффективен, а также является носителем квантовой информации».