Një grup 2D i kubitëve elektronikë dhe spin bërthamor hap një kufi të ri në shkencën kuantike

Duke përdorur fotone dhe kubit të rrotullimit të elektroneve për të kontrolluar rrotullimet bërthamore në një material dy-dimensional, studiuesit në Universitetin Purdue kanë hapur një kufi të ri në shkencën dhe teknologjinë kuantike, duke mundësuar aplikacione si spektroskopia e rezonancës magnetike bërthamore në shkallë atomike dhe për të lexuar dhe shkruar kuantike informacion me rrotullime bërthamore në materiale 2D.

Siç u botua të hënën (15 gusht) në Nature Materials, ekipi hulumtues përdori kubit të rrotullimit të elektroneve si sensorë të shkallës atomike dhe gjithashtu për të kryer kontrollin e parë eksperimental të kubiteve të rrotullimit bërthamor në nitridin e borit gjashtëkëndor ultra të hollë.

“Kjo është puna e parë që tregon inicializimin optik dhe kontrollin koherent të rrotullimeve bërthamore në materialet 2D,” tha autori përkatës Tongcang Li, një profesor i asociuar i fizikës dhe astronomisë dhe inxhinierisë elektrike dhe kompjuterike në Purdue, dhe anëtar i Institutit Purdue Quantum Science and Engineering. .

“Tani ne mund të përdorim dritën për të inicializuar rrotullimet bërthamore dhe me atë kontroll, ne mund të shkruajmë dhe lexojmë informacione kuantike me rrotullime bërthamore në materialet 2D. Kjo metodë mund të ketë shumë aplikime të ndryshme në kujtesën kuantike, ndjeshmërinë kuantike dhe simulimin kuantik.”

Teknologjia kuantike varet nga kubiti, i cili është versioni kuantik i një biti klasik kompjuterik. Shpesh ndërtohet me një atom, grimcë nënatomike ose foton në vend të një transistori silikoni. Në një qubit elektron ose spin bërthamor, gjendja e njohur binare “0” ose “1” e një biti klasik kompjuterik përfaqësohet nga spin, një veti që është shumë analoge me polaritetin magnetik – që do të thotë se rrotullimi është i ndjeshëm ndaj një fushe elektromagnetike. Për të kryer çdo detyrë, rrotullimi duhet së pari të jetë i kontrolluar dhe koherent, ose i qëndrueshëm.

Kubiti i rrotullimit mund të përdoret më pas si një sensor, duke hetuar, për shembull, strukturën e një proteine ​​ose temperaturën e një objektivi me rezolucion në shkallë nano. Elektronet e bllokuara në defektet e kristaleve të diamantit 3D kanë prodhuar rezolucionin e imazhit dhe ndjeshmërisë në intervalin 10-100 nanometër.

Por kubitët e ngulitur në materiale me një shtresë ose 2D, mund t’i afrohen një kampioni të synuar, duke ofruar rezolucion edhe më të lartë dhe sinjal më të fortë. Duke hapur rrugën drejt këtij qëllimi, kubiti i parë i rrotullimit të elektronit në nitrid bori gjashtëkëndor, i cili mund të ekzistojë në një shtresë të vetme, u ndërtua në vitin 2019 duke hequr një atom bori nga rrjeta e atomeve dhe duke bllokuar një elektron në vend të tij. Të ashtuquajturat kubit të spinit të elektroneve të boshllëkut të borit gjithashtu ofruan një rrugë joshëse për të kontrolluar rrotullimin bërthamor të atomeve të azotit që rrethojnë çdo kubit të spinit të elektronit në rrjetë.

Në këtë punë, Li dhe ekipi i tij krijuan një ndërfaqe midis fotoneve dhe rrotullimeve bërthamore në nitridet e borit gjashtëkëndor ultra të hollë.

Rrotullimet bërthamore mund të inicializohen optikisht – vendosen në një spin të njohur – nëpërmjet kubiteve të rrotullimit të elektroneve përreth. Pasi të inicializohet, një radio frekuencë mund të përdoret për të ndryshuar kubitin e rrotullimit bërthamor, në thelb “shkrimin” e informacionit, ose për të matur ndryshimet në kubitët e rrotullimit bërthamor, ose “leximin” e informacionit. Metoda e tyre shfrytëzon tre bërthama azoti në të njëjtën kohë, me kohë koherence më shumë se 30 herë më të gjatë se ato të kubiteve të elektroneve në temperaturën e dhomës. Dhe materiali 2D mund të vendoset drejtpërdrejt në një material tjetër, duke krijuar një sensor të integruar.

“Një rrjetë rrotullimi bërthamore 2D do të jetë e përshtatshme për simulime kuantike në shkallë të gjerë,” tha Li. “Ai mund të funksionojë në temperatura më të larta se kubitët superpërçues.”

Për të kontrolluar një kubit të rrotullimit bërthamor, studiuesit filluan duke hequr një atom bori nga rrjeta dhe duke e zëvendësuar atë me një elektron. Elektroni tani ndodhet në qendër të tre atomeve të azotit. Në këtë pikë, çdo bërthamë e azotit është në një gjendje rrotullimi të rastësishme, e cila mund të jetë -1, 0 ose +1.

Më pas, elektroni pompohet në një gjendje spin prej 0 me dritë lazer, e cila ka një efekt të papërfillshëm në rrotullimin e bërthamës së azotit.

Së fundi, një ndërveprim hiperfin midis elektronit të ngacmuar dhe tre bërthamave të azotit përreth detyron një ndryshim në rrotullimin e bërthamës. Kur cikli përsëritet disa herë, rrotullimi i bërthamës arrin gjendjen +1, ku mbetet pavarësisht nga ndërveprimet e përsëritura. Me të tre bërthamat të vendosura në gjendjen +1, ato mund të përdoren si një treshe kubitësh.

Në Purdue, Li u bashkua nga Xingyu Gao, Sumukh Vaidya, Peng Ju, Boyang Jiang, Zhujing Xu, Andres E. Llacsahuanga Allcca, Kunhong Shen, Sunil A. Bhave dhe Yong P. Chen, si dhe bashkëpunëtorët Kejun Li dhe Yuan Ping në Universitetin e Kalifornisë, Santa Cruz, dhe Takashi Taniguchi dhe Kenji Watanabe në Institutin Kombëtar për Shkencën e Materialeve në Japoni.