p Pela primeira vez, os pesquisadores foram capazes de estudar a interferência quântica em um sistema quântico de três níveis e, assim, controlar o comportamento dos spins individuais dos elétrons. Para este fim, eles usaram uma nova nanoestrutura na qual um sistema quântico é integrado a um oscilador mecânico em nanoescala na forma de um cantilever de diamante. Física da Natureza publicou o estudo, que foi conduzido na Universidade de Basel e no Swiss Nanoscience Institute. p O spin do elétron é uma propriedade da mecânica quântica fundamental. No mundo quântico, o spin eletrônico descreve a direção de rotação do elétron em torno de seu eixo, que pode normalmente ocupar dois assim chamados autoestados comumente denotados como "para cima" e "para baixo". As propriedades quânticas do spin oferecem perspectivas interessantes para tecnologias futuras, por exemplo, na forma de sensores quânticos extremamente precisos.

p Combinando spins com osciladores mecânicos

p Pesquisadores liderados pelo Professor Patrick Maletinsky e Ph.D. relatório do candidato Arne Barfuss do Instituto Suíço de Nanociência da Universidade de Basel em Física da Natureza um novo método para controlar o spin quântico com um sistema mecânico.

p Para seu estudo experimental, eles combinaram tal sistema quântico com um oscilador mecânico. Mais especificamente, os pesquisadores empregaram elétrons presos nos chamados centros de vacância de nitrogênio e embutiram esses spins em ressonadores mecânicos monocristalinos feitos de diamante.

p Esses spins de vacância de nitrogênio são especiais, em que eles possuem não apenas dois, mas três estados próprios, que pode ser descrito como "para cima, "" para baixo "e" zero ". Usando o acoplamento especial de um oscilador mecânico ao spin, eles mostraram pela primeira vez controle quântico completo sobre tal sistema de três níveis, de uma forma que não era possível antes.

p Em particular, o oscilador permitiu-lhes abordar todas as três transições possíveis no spin e estudar como as vias de excitação resultantes interferem umas nas outras. Este cenário, conhecido como "direção em contorno fechado, "nunca foi investigado antes, mas abre perspectivas fundamentais e práticas interessantes. Por exemplo, seu experimento permitiu uma quebra da simetria da reversão do tempo, o que significa que as propriedades do sistema parecem fundamentalmente diferentes se a direção do tempo for revertida do que sem tal inversão. Neste cenário, a fase do oscilador mecânico determinou se o spin circulou "no sentido horário" (direção de rotação para cima, baixa, zero, para cima) ou "anti-horário".

p Este conceito abstrato tem consequências práticas para os estados quânticos frágeis. Semelhante ao conhecido experimento mental do gato de Schrödinger, os spins podem existir simultaneamente em uma sobreposição de dois ou três dos eigenstates disponíveis por um determinado período, o chamado tempo de coerência quântica.

p Se os três estados próprios são acoplados uns aos outros usando a direção de contorno fechado descoberta aqui, o tempo de coerência pode ser significativamente estendido, como os pesquisadores puderam mostrar. Em comparação com sistemas em que apenas duas das três transições possíveis são conduzidas, a coerência aumentou quase cem vezes. Essa proteção de coerência é um elemento chave para as tecnologias quânticas futuras e outro resultado principal deste trabalho.

p Os resultados têm alto potencial para futuras aplicações. É concebível que o sistema híbrido de rotação-ressonador possa ser usado para a medição precisa de sinais dependentes do tempo com frequências na faixa de gigahertz - por exemplo, em detecção quântica ou processamento de informações quânticas. Para sinais dependentes do tempo emergentes de objetos em nanoescala, tais tarefas são atualmente muito difíceis de resolver de outra forma. Aqui, a combinação de spin e um sistema oscilante pode ser útil, em particular por causa da proteção demonstrada de coerência de spin.