Embora os defeitos em um diamante sejam indesejáveis, certos defeitos são o melhor amigo de um físico quântico, tendo o potencial de armazenar bits de informação que poderiam um dia ser usados ​​em um sistema de computação quântica.

Físicos aplicados da Cornell University demonstraram uma técnica para a engenharia de algumas das principais propriedades ópticas desses defeitos, fornecendo uma nova ferramenta para explorar a mecânica quântica.

Um grupo de pesquisadores liderado por Greg Fuchs, professor de física aplicada e engenharia, tornaram-se os primeiros a usar vibrações produzidas por um ressonador para ajudar a estabilizar essas propriedades ópticas, forçando os elétrons do diamante a um estado orbital excitado. A pesquisa é detalhada no artigo "Manipulação do estado orbital de um centro de vacância de nitrogênio de diamante usando um ressonador mecânico, "publicado em 17 de abril na revista Cartas de revisão física .

Assim como os transistores de um computador registram informações binárias estando "ligados" ou "desligados", "os estados internos desses defeitos de diamante em escala atômica também podem representar bits de informação, como seu spin - uma forma intrínseca de momento angular - sendo "para cima" ou "para baixo". Mas, ao contrário dos transistores, que tem apenas dois estados, o spin possui a capacidade quântica de subir e descer ao mesmo tempo. Usado em combinação, esses estados quânticos poderiam registrar e compartilhar informações exponencialmente melhor do que os transistores, permitindo que os computadores executem certos cálculos em velocidades inimagináveis.

O desafio:é difícil transferir informações quânticas de um lugar para outro. Os físicos têm experimentado uma série de materiais e técnicas para fazer isso, incluindo o uso de propriedades ópticas dentro dos defeitos atômicos dos diamantes conhecidos como centros de vacância de nitrogênio.

"Uma coisa em que os centros de vacância de nitrogênio de diamante podem ser muito bons é a comunicação. Então, você pode ter um spin de elétron, que é um bom estado quântico, então você pode transferir seu estado para um fóton de luz, "disse Fuchs, que acrescentou que o fóton pode então levar essa informação para outro defeito. "Um dos desafios de fazer isso é estabilizá-lo e fazê-lo funcionar da maneira que você deseja. Fornecemos uma nova caixa de ferramentas para projetar essa transição óptica de forma a torná-la melhor."

Foi necessário primeiro que a equipe de pesquisa desenvolvesse um dispositivo que pudesse enviar ondas vibracionais através do defeito do diamante. Um ressonador mecânico de frequência gigahertz foi fabricado a partir de um diamante de cristal único, então as ondas sonoras vibrando em cerca de 1 gigahertz foram enviadas através do defeito.

O objetivo era usar o som para alterar as transições ópticas do defeito, em que a mudança de um estado de energia para outro resulta na emissão de um fóton. Essas transições tendem a flutuar com base em várias condições ambientais, tornando difícil produzir fótons coerentes para transportar informações.

Como um exemplo, campos elétricos com flutuação aleatória podem tornar o comprimento de onda de transição óptica instável, de acordo com Huiyao Chen, um aluno de doutorado que conduziu o estudo.

"Para suprimir o efeito dessas flutuações incoerentes, "Chen disse, "uma coisa que podemos fazer é eliminar o acoplamento entre o orbital do elétron e o indesejado, campos elétricos aleatórios. E é aí que as ondas sonoras produzidas pelo ressonador entram em ação. "

Para saber se o experimento funcionou, a equipe de pesquisa usou um microscópio com um laser de comprimento de onda ajustável para escanear o centro de vacância de nitrogênio do diamante. Quando o comprimento de onda do laser estava em ressonância com a transição óptica, um fóton emitido pode ser visto, um indicador seguro de que os elétrons atingiram um estado de excitação. Os pesquisadores então estudaram como as ondas sonoras podem alterar os estados orbitais, e, assim, alterar a transição óptica.