Ο ήχος προκαλεί «κβαντικά άλματα» μεταξύ τροχιών ηλεκτρονίων

Ερευνητές του Πανεπιστημίου Cornell απέδειξαν ότι τα ακουστικά ηχητικά κύματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον έλεγχο της κίνησης ενός ηλεκτρονίου καθώς περιστρέφεται γύρω από ένα κρυσταλλογραφικό ελάττωμα σε ένα διαμάντι, μια τεχνική που μπορεί ενδεχομένως να βελτιώσει την ευαισθησία των κβαντικών αισθητήρων και να χρησιμοποιηθεί σε άλλες κβαντικές συσκευές.

Η πρόοδος στην κβαντική τεχνολογία πληροφοριών απαιτεί την εύρεση νέων τρόπων ελέγχου των ηλεκτρονίων και άλλων μικροσκοπικών σωματιδίων.

Σε ένα άρθρο με τίτλο «Coherent acoustic control of defect orbital states in the strong-driving limit», ο Gregory Fuchs, καθηγητής εφαρμοσμένης και μηχανικής φυσικής, και ο μεταδιδακτορικός συνεργάτης του, Brendan McCullian, συνεργάστηκαν με τον Erich Mueller, καθηγητή φυσικής στο Κολλέγιο της Τέχνες και Επιστήμες και τον διδακτορικό του φοιτητή, Vaibhav Sharma, για να δημιουργήσουν ένα περιβάλλον όπου τα ηχητικά κύματα μπορούν να οδηγήσουν «κβαντικά άλματα» μεταξύ τροχιών ηλεκτρονίων.

Η εργασία δημοσιεύτηκε στο περιοδικό PRX Quantum .

Ο McCullian κατασκεύασε ένα μικροσκοπικό ηχείο στην επιφάνεια ενός τσιπ διαμαντιού, το οποίο λειτουργούσε σε μια συχνότητα που ταίριαζε ακριβώς με μια ηλεκτρονική μετάβαση.

Χρησιμοποιώντας τεχνικές παρόμοιες με αυτές που χρησιμοποιούνται στην απεικόνιση μαγνητικού συντονισμού, ήταν σε θέση να επιδείξει συνεκτικό έλεγχο ενός μόνο ηλεκτρονίου μέσα στο τσιπ διαμαντιού.

Τα Qubits – το κβαντικό ανάλογο των bit που βρίσκονται σε έναν κλασικό υπολογιστή – πρέπει να παραμένουν συνεκτικά ή σε σταθερή κατάσταση, προκειμένου να κάνουν κάτι χρήσιμο.

Αυτή η συνοχή είναι πολύ εύθραυστη και χάνεται εύκολα από τις διακυμάνσεις του περιβάλλοντος, όπως όταν ένα κοντινό ηλεκτρόνιο μεταπηδά από τη μια θέση στην άλλη.

Για πολλά χρόνια, οι επιστήμονες έχουν επεκτείνει τους χρόνους συνοχής qubit χρησιμοποιώντας μια τεχνική που ονομάζεται συντονισμός σπιν, η οποία χρησιμοποιεί μικροκύματα και μαγνητικά πεδία για να αλλάξει τη συμπεριφορά των ηλεκτρονίων. Ο Fuchs και η ομάδα του προσπάθησαν να επεκτείνουν αυτή την τεχνική στον ακουστικό τομέα και να βελτιώσουν τη συνοχή των τροχιακών.

«Οδηγήσαμε ακουστικά τις τροχιακές καταστάσεις με τρόπο που είναι κάπως ανάλογος με τον συντονισμό περιστροφής και στη συνέχεια χρησιμοποιήσαμε την καθιερωμένη εργαλειοθήκη τεχνικών συντονισμού περιστροφής για να διερευνήσουμε τη συνοχή αυτής της τροχιακής κατάστασης», είπε ο Fuchs.

«Ήταν πολύ ενδιαφέρον για εμάς ότι μπορούσαμε να κάνουμε μια τροχιακή εκδοχή του συντονισμού περιστροφής: να πάρουμε αυτά τα εργαλεία που γνωρίζουμε από τον συντονισμό περιστροφής – για παράδειγμα, συνεκτικό έλεγχο και ταλαντώσεις Rabi – και με ένα ακουστικό αντηχείο δύο gigahertz, να το χαρτογραφήσουμε στο τροχιακές καταστάσεις και δείτε ότι αυτές οι τεχνικές εξακολουθούν να ισχύουν.”

Η εργασία του Fuchs βοηθά στην προώθηση της γνώσης του κέντρου κενής θέσης αζώτου (NV), ένα ελάττωμα στα κρυσταλλικά πλέγματα διαμαντιών που είναι ένα σημαντικό qubit για την ανίχνευση και την κβαντική δικτύωση και βοηθά στην ανάπτυξη νέων εργαλείων για την καταπολέμηση των περιβαλλοντικών διακυμάνσεων που οδηγούν σε φασματική διάχυση, η οποία μπορεί να προκαλέσει μεγάλα προβλήματα σε εφαρμογές κβαντικής δικτύωσης που βασίζονται σε μια σταθερή οπτική μετάβαση όπου η συχνότητα κάθε εκπεμπόμενου φωτονίου είναι η ίδια.

«Διερεύνοντας πώς το κέντρο NV αλληλεπιδρά με αυτές τις πηγές θορύβου και βρίσκοντας τρόπους τροποποίησης αυτής της αλληλεπίδρασης χρησιμοποιώντας εργαλεία που συνήθως δεσμεύουμε για περιστροφές, καταλάβαμε έναν τρόπο με τον οποίο μπορούμε να το κάνουμε να λειτουργεί με τις τροχιακές καταστάσεις. Αυτό είναι σημαντικό προσθήκη στην επιστήμη», είπε ο Fuchs.

«Αυτό το έργο ήταν επίσης ένα παράδειγμα του τρόπου με τον οποίο θα έπρεπε να λειτουργεί η συνεργασία μεταξύ των ομάδων. Οι πειραματικές τεχνικές αναπτύχθηκαν στο εργαστήριό μου, αλλά στη συνέχεια συνεργαστήκαμε με μια ομάδα στο Τμήμα Φυσικής που παρείχε μια θεωρητική ανάλυση και μας βοήθησε να πλαισιώσουμε τις προβλέψεις και την κατανόησή μας των αποτελεσμάτων».

«Ήταν μια εξαιρετικά ανταποδοτική συνεργασία», είπε ο Mueller. «Τα ακουστικά κύματα διεγείρουν τα ηλεκτρόνια μέσω ενός μηχανισμού παρόμοιου με τον τρόπο που «αντλείται» σε μια κούνια παιδικής χαράς. Όταν οι δονήσεις είναι σε συγχρονισμό με την κίνηση των ηλεκτρονίων, μπορούν να μεταφέρουν ενέργεια σε αυτό. Είναι πραγματικά εκπληκτικό ότι μπορεί κανείς να ελέγξει την κίνηση των ηλεκτρονίων με αυτό που είναι ουσιαστικά ένα μεγάφωνο».

Πηγή: Phys

Related…

• Διάστημα: Μαύρη τρύπα ξυπνά σε πραγματικό χρόνο για πρώτη φορά (Βίντεο)
• Διάστημα: Σπάνιος εξωπλανήτης διατηρεί την ατμόσφαιρα του παρά την ακτινοβολία κοντινού άστρου
• Πιθανή κρίση σε τροχιά: Γιατί ο Γ” Παγκόσμιος Πόλεμος ίσως αρχίσει στο Διάστημα