Quantum Computing
Ανίχνευση και έλεγχος μικροσκοπικής πυκνότητας σπιν στα υλικά
Η νέα διάσταση στον έλεγχο των ηλεκτρονίων
Στην εποχή των ηλεκτρονικών συσκευών, η χρήση του φορτίου των ηλεκτρονίων είναι η πιο κοινή πρακτική. Ωστόσο, το σπιν, μια άλλη ιδιότητα των ηλεκτρονίων, αρχίζει να αξιοποιείται. Τα ελαττώματα σπιν καθιστούν τα κρυσταλλικά υλικά εξαιρετικά χρήσιμα για συσκευές που βασίζονται στην κβαντική τεχνολογία, όπως οι υπερευαίσθητοι κβαντικοί αισθητήρες, οι συσκευές κβαντικής μνήμης ή τα συστήματα προσομοίωσης των κβαντικών φαινομένων. Η μεταβολή της πυκνότητας σπιν σε ημιαγωγούς μπορεί να οδηγήσει σε νέες ιδιότητες ενός υλικού — κάτι που οι ερευνητές επιθυμούν εδώ και καιρό να εξερευνήσουν. Ωστόσο, αυτή η πυκνότητα είναι συνήθως φευγαλέα και δύσκολη στην τοπική μέτρηση και έλεγχο.
Η καινοτομία από το MIT
Μια ομάδα ερευνητών στο MIT και αλλού βρήκε έναν τρόπο να ρυθμίσει την πυκνότητα σπιν στο διαμάντι, αλλάζοντάς την κατά ένα συντελεστή δύο, εφαρμόζοντας μια εξωτερική δέσμη λέιζερ ή μικροκυμάτων. Αυτή η ανακάλυψη, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό PNAS, θα μπορούσε να ανοίξει πολλές νέες δυνατότητες για προηγμένες κβαντικές συσκευές. Το άρθρο είναι αποτέλεσμα συνεργασίας μεταξύ τωρινών και πρώην φοιτητών των καθηγητών Paola Cappellaro και Ju Li στο MIT, καθώς και συνεργατών από το Politecnico του Μιλάνου. Ο πρώτος συγγραφέας του άρθρου, Guoqing Wang PhD ’23, εργάστηκε στη διδακτορική του διατριβή στο εργαστήριο της Cappellaro και τώρα είναι μεταδιδακτορικός ερευνητής στο MIT.
Οι εφαρμογές των κέντρων NV
Ένας συγκεκριμένος τύπος ελαττώματος σπιν, γνωστός ως κέντρο κενής θέσης αζώτου (NV) στο διαμάντι, είναι ένα από τα πιο μελετημένα συστήματα για την πιθανή χρήση του σε μια ευρεία ποικιλία κβαντικών εφαρμογών. Το σπιν των κέντρων NV είναι ευαίσθητο σε οποιαδήποτε φυσική, ηλεκτρική ή οπτική διαταραχή, καθιστώντας τα πιθανά εξαιρετικά ευαίσθητους ανιχνευτές. «Τα ελαττώματα σπιν στερεάς κατάστασης είναι μία από τις πιο υποσχόμενες κβαντικές πλατφόρμες», λέει ο Wang, εν μέρει επειδή μπορούν να λειτουργούν υπό συνθήκες περιβάλλοντος και θερμοκρασίας δωματίου. Πολλά άλλα κβαντικά συστήματα απαιτούν υπερψυχρά ή άλλες εξειδικευμένες συνθήκες.
Η δυναμική των κέντρων NV
«Οι δυνατότητες ανίχνευσης σε νανοκλίμακα των κέντρων NV τα καθιστούν υποσχόμενα για τη διερεύνηση της δυναμικής στο περιβάλλον του σπιν τους, εκδηλώνοντας πλούσια κβαντική φυσική πολλών σωμάτων που δεν έχει ακόμη κατανοηθεί πλήρως», προσθέτει ο Wang. «Ένα σημαντικό ελάττωμα σπιν στο περιβάλλον, που ονομάζεται κέντρο P1, μπορεί συνήθως να είναι 10 έως 100 φορές πιο πολυπληθές από το κέντρο NV και επομένως μπορεί να έχει ισχυρότερες αλληλεπιδράσεις, καθιστώντας τα ιδανικά για τη μελέτη της φυσικής πολλών σωμάτων.»
Η ρύθμιση της πυκνότητας σπιν
Για να ρυθμίσουν τις αλληλεπιδράσεις τους, οι επιστήμονες πρέπει να είναι σε θέση να αλλάξουν την πυκνότητα σπιν, κάτι που μέχρι τώρα είχε σπάνια επιτευχθεί. Με αυτήν τη νέα προσέγγιση, λέει ο Wang, «μπορούμε να ρυθμίσουμε την πυκνότητα σπιν ώστε να παρέχει έναν πιθανό μοχλό για να ρυθμίσουμε πραγματικά ένα τέτοιο σύστημα. Αυτή είναι η βασική καινοτομία της δουλειάς μας.»
Νέες προοπτικές για κβαντικές συσκευές
Ένα τέτοιο ρυθμιζόμενο σύστημα θα μπορούσε να προσφέρει πιο ευέλικτους τρόπους μελέτης της κβαντικής υδροδυναμικής, λέει ο Wang. Πιο άμεσα, η νέα διαδικασία μπορεί να εφαρμοστεί σε ορισμένες υπάρχουσες συσκευές κβαντικής ανίχνευσης σε νανοκλίμακα ως ένας τρόπος βελτίωσης της ευαισθησίας τους.
Η επανάσταση της spintronics
Ο Li, που κατέχει κοινή θέση στα τμήματα Πυρηνικής Επιστήμης και Μηχανικής και Επιστήμης και Μηχανικής Υλικών στο MIT, εξηγεί ότι τα σημερινά συστήματα υπολογιστών και επεξεργασίας πληροφοριών βασίζονται στον έλεγχο και την ανίχνευση των ηλεκτρικών φορτίων, αλλά ορισμένες καινοτόμες συσκευές αρχίζουν να χρησιμοποιούν την ιδιότητα που ονομάζεται σπιν. Η εταιρεία ημιαγωγών Intel, για παράδειγμα, έχει πειραματιστεί με νέου τύπου τρανζίστορ που συνδυάζουν το σπιν και το φορτίο, ανοίγοντας ενδεχομένως το δρόμο για συσκευές βασισμένες στην τεχνολογία spintronics.
Η ενεργειακή αποδοτικότητα της τεχνολογίας σπιν
«Τα παραδοσιακά τρανζίστορ CMOS χρησιμοποιούν πολλή ενέργεια», λέει ο Li, «αλλά αν χρησιμοποιήσετε το σπιν, όπως σε αυτόν τον σχεδιασμό της Intel, τότε μπορείτε να μειώσετε την κατανάλωση ενέργειας σημαντικά.» Η εταιρεία έχει επίσης αναπτύξει συσκευές σπιν qubit στερεάς κατάστασης για κβαντική υπολογιστική, και «το σπιν είναι κάτι που οι άνθρωποι θέλουν να ελέγχουν σε στερεά σώματα επειδή είναι πιο ενεργειακά αποδοτικό και είναι επίσης φορέας κβαντικής πληροφορίας.»
Η ατομική κλίμακα των κβαντικών αισθητήρων
Στη μελέτη του Li και των συναδέλφων του, το νέο επίπεδο ελέγχου της πυκνότητας σπιν επιτρέπει σε κάθε κέντρο NV να λειτουργεί σαν ένα είδος “ραντάρ” σε ατομική κλίμακα που μπορεί να ανιχνεύει και να ελέγχει τα κοντινά σπιν. «Χρησιμοποιούμε βασικά ένα συγκεκριμένο ελάττωμα NV για να ανιχνεύσουμε τα περιβάλλοντα ηλεκτρονικά και πυρηνικά σπιν. Αυτός ο κβαντικός αισθητήρας αποκαλύπτει το κοντινό περιβάλλον σπιν και πώς αυτό επηρεάζεται δυναμικά από τη ροή φορτίου, η οποία σε αυτήν την περίπτωση αντλείται από το λέιζερ», λέει ο Li.
Η μελλοντική προοπτική της κβαντικής υπολογιστικής
Αυτό το σύστημα καθιστά δυνα
