Esquema do cristal YSO com Ce embutido 3+ . Dentro de 6 Å de distância, 29 O acoplamento de Si é detectado (magenta), mais remoto 29 Si não pode ser distinguido (azul). Crédito:Kornher et al.
Minerais de terras raras são uma classe de materiais com propriedades semelhantes que são usados atualmente para construir uma variedade de dispositivos, incluindo LEDs, baterias recarregáveis, ímãs, lasers, e muito mais. Os spins de elétrons desses materiais podem ser hospedados em cristais, criando sistemas com características únicas que poderiam servir como interfaces entre fótons da banda de telecomunicações e bits quânticos de spin de longa duração.
Interessantemente, esses sistemas apresentam spins de elétrons que interagem com os spins nucleares circundantes, e eles poderiam, portanto, ser particularmente úteis para o desenvolvimento de ferramentas de memória quântica. Até aqui, Contudo, nenhum pesquisador foi capaz de sentir ou detectar spins nucleares proximais hospedados em cristais relacionados a terras raras.
Em um estudo apresentado em Cartas de revisão física , pesquisadores da Universidade de Stuttgart e do Centro de Pesquisa em Ciência Computacional de Pequim conseguiram detectar esses spins nucleares proximais, mais especificamente, aqueles perto de Ce único 3+ íons hospedados em um cristal de ortossilicato de ítrio (YSO). Seu estudo foi baseado em um artigo anterior publicado em Nature Communications , em que eles exploraram as propriedades coerentes de íons de terras raras individuais hospedados em um cristal diferente.
"Nosso estudo anterior foi realizado em um cristal YAG, que tem um banho de rotação ainda mais denso do que YSO, e mostrou tempo de interação coerente relativamente curto para os spins de elétrons investigados, "Roman Kolesov, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "O tempo de coerência medido deu a motivação para investigar o cério em outro cristal hospedeiro com banho de spin nuclear ligeiramente mais diluído, ou seja, YSO, que ainda tem uma quantidade considerável de isótopos de spin nuclear com 100% ítrio-89 e 5% silício-29. "
Em seu novo estudo, Kolesov e seus colegas queriam investigar spins de elétrons com um tempo de coerência prolongado, que é o que os levou a examinar materiais de terras raras em um cristal hospedeiro YSO. Um tempo de coerência longo o suficiente, na verdade, acabaria por permitir que eles detectassem spins nucleares externos, qual era o objetivo principal de seu trabalho.
Esquerda:Imagem de microlentes fabricadas usadas para estudar opticamente íons de terras raras. À direita:Imagem do microscópio de varredura a laser de íons de terras raras dentro de uma microlente. Crédito:Kornher et al.
"Spins nucleares individuais podem ser detectados com base em sinais de fluorescência de íons de terras raras investigados, "Thomas Kornher, um dos pesquisadores que realizou o estudo, disse a Phys.org. "Em nossos experimentos, excitamos o elétron de cério com pulsos de laser circularmente polarizados em um estado de spin específico. Usando um campo de microondas, o spin foi então levado a um estado de superposição, que pode detectar a perturbação de spins nucleares externos. "
Kolesov, Kornher e seus colegas foram capazes de extrair esta perturbação de spins nucleares externos, como um sinal fluorescente emitido por outra sequência de pulsos de laser. Mais notavelmente, eles extraíram com sucesso o sinal de um spin nuclear externo individual em um banho de spin nuclear denso. Seu trabalho, portanto, estabeleceu íons de terras raras únicos como sondas valiosas para a detecção de spins nucleares únicos em seu ambiente.
"Se você considerar os spins nucleares únicos endereçáveis como um recurso potencialmente útil em tecnologias quânticas, como esquemas de correção de erros quânticos, em seguida, detectá-los com base em íons de terras raras individuais fornece acesso a uma ampla gama de materiais, que agora pode ser considerado para aplicações quânticas, "Kornher disse." A ampla gama de novos materiais é baseada na dopagem versátil de íons de terras raras em hospedeiros de estado sólido, que é um campo bem estudado com base nas investigações da física do laser. "
O estudo recente realizado por esta equipe de pesquisadores reuniu novas descobertas importantes que podem abrir novas possibilidades para o desenvolvimento de aplicações de memória quântica utilizando sistemas de íons de terras raras, que são baseados em spins nucleares ambientais acoplados. Em seu trabalho futuro, Kolesov, Kornher e seus colegas gostariam de investigar a inicialização do spin nuclear que poderia permitir o acesso aos spins nucleares. Mais especificamente, eles planejam manipular os spins nucleares individuais detectados em seu estudo recente e implementar portas lógicas quânticas neles.
"Uma metáfora para explicar as conquistas de nosso estudo poderia ser que fomos capazes de ouvir o tom muito silencioso de um mosquito (que seja até mesmo um mosquito quântico) em uma rua com tráfego intenso (banho giratório), "Kolesov disse." Até agora, nós só podemos ouvir isso, mas a próxima tarefa seria controlar seu vôo e o objetivo final de controlar vários mosquitos ao mesmo tempo, distinguindo-os por suas vozes ligeiramente diferentes. "
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