Por primera vez, los investigadores pudieron estudiar la interferencia cuántica en un sistema cuántico de tres niveles y así controlar el comportamiento de los espines de electrones individuales. Para este fin, utilizaron una nanoestructura novedosa, en la que un sistema cuántico se integra en unoscilador mecánico a nanoescala en forma de voladizo de diamante. Física de la naturaleza ha publicado el estudio que se realizó en la Universidad de Basilea y el Instituto Suizo de Nanociencia.
El espín electrónico es una propiedad mecánica cuántica fundamental intrínseca a cada electrón. En el mundo cuántico, el espín electrónico describe la dirección de rotación del electrón alrededor de su eje que normalmente puede ocupar los llamados estados propios comúnmente denominados "arriba"y "abajo". Las propiedades cuánticas de tales giros ofrecen perspectivas interesantes para tecnologías futuras, por ejemplo, en forma de sensores cuánticos extremadamente precisos.
Combinando giros con osciladores mecánicos
Investigadores dirigidos por el profesor Patrick Maletinsky y el candidato a doctorado Arne Barfuss del Instituto Suizo de Nanociencia en la Universidad de Basilea informan en Nature Physics un nuevo método para controlar el comportamiento cuántico de los espines a través de un sistema mecánico.
Para su estudio experimental, combinaron dicho sistema cuántico con un oscilador mecánico. Más específicamente, los investigadores emplearon electrones atrapados en los llamados centros de vacantes de nitrógeno e incrustaron estos espines en resonadores mecánicos monocristalinos hechos de diamante.
Estos giros de vacantes de nitrógeno son especiales, ya que poseen no solo dos, sino tres estados propios, que se pueden describir como "arriba", "abajo" y "cero". Usando el acoplamiento especial de un oscilador mecánico al giro, mostraron por primera vez un control cuántico completo sobre dicho sistema de tres niveles, de una manera que antes no era posible.
Controlando tres estados cuánticos
En particular, el oscilador les permitió abordar las tres transiciones posibles en el giro y estudiar cómo las vías de excitación resultantes interfieren entre sí.
Este escenario, conocido como "conducción de contorno cerrado", nunca se ha investigado hasta ahora, pero abre interesantes perspectivas fundamentales y prácticas. Por ejemplo, su experimento permitió una ruptura de la simetría de inversión de tiempo, lo que significa que las propiedades de lael sistema se ve fundamentalmente diferente si la dirección del tiempo se invierte que sin dicha inversión. En este escenario, la fase del oscilador mecánico determinó si el giro giraba "en sentido horario" dirección de rotación hacia arriba, abajo, cero, arriba o "contrarrestar"agujas del reloj."
coherencia extendida
Este concepto abstracto tiene consecuencias prácticas para los estados cuánticos frágiles. Similar al conocido gato de Schrödinger, los giros pueden estar simultáneamente en una superposición de dos o tres de los estados propios disponibles durante un cierto período, el llamado tiempo de coherencia cuántica.
Si los tres estados propios se acoplan entre sí utilizando la conducción de contorno cerrada descubierta aquí, el tiempo de coherencia puede extenderse significativamente, como pudieron demostrar los investigadores. En comparación con los sistemas donde solo se manejan dos de las tres transiciones posibles, coherenciaaumentó casi cien veces.
Tal protección de coherencia es un elemento clave para futuras tecnologías cuánticas y otro resultado principal de este trabajo.
Aplicaciones para tecnología de sensores
El trabajo descrito aquí tiene un alto potencial para futuras aplicaciones. Es concebible que el sistema híbrido de resonador-spin pueda usarse para la medición precisa de señales dependientes del tiempo con frecuencias en el rango de gigahercios, por ejemplo en detección cuántica o cuánticaprocesamiento de información. Para señales dependientes del tiempo que emergen de objetos a nanoescala, tales tareas son actualmente muy difíciles de abordar de otra manera. Aquí la combinación de espín y un sistema oscilante podría ser útil, en particular también debido a la protección demostrada de la coherencia del espín.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por Universidad de Basilea . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
Referencia del diario :
Cite esta página :