Os elétrons estão muito à mercê de campos magnéticos, que os cientistas podem manipular para controlar os elétrons e seu momento angular - ou seja, seu "giro".

Uma equipe Cornell liderada por Greg Fuchs, professor assistente de física aplicada e de engenharia na Faculdade de Engenharia, em 2013 inventou uma nova forma de exercer esse controle por meio de ondas acústicas geradas por ressonadores mecânicos. Essa abordagem permitiu que a equipe controlasse as transições de spin de elétrons (também conhecidas como ressonância de spin) que de outra forma não seriam possíveis por meio do comportamento magnético convencional.

A descoberta foi uma bênção para quem quer construir sensores quânticos do tipo usado em dispositivos móveis de navegação. Contudo, tais dispositivos ainda exigiam um campo de controle magnético - e, portanto, uma antena magnética volumosa - para conduzir certas transições de spin.

Agora, O grupo de Fuchs mostrou que essas transições podem ser impulsionadas apenas pela acústica. Isso elimina a necessidade da antena magnética, permitindo que os engenheiros construam menores, sensores acústicos mais eficientes em termos de energia que podem ser embalados de forma mais compacta em um único dispositivo.

O papel da equipe, "Conduzindo acusticamente a transição de rotação quântica única de centros de vacância de nitrogênio de diamante, "publicado em 27 de maio em Revisão Física Aplicada .

"Você pode usar um campo magnético para conduzir essas transições de spin, mas um campo magnético é realmente muito extenso, grande objeto, "Fuchs disse." Em contraste, ondas acústicas podem ser muito confinadas. Então, se você está pensando em controlar diferentes regiões de spins dentro do seu chip, localmente e independentemente, então fazer isso com ondas acústicas é uma abordagem sensata. "

A fim de conduzir as transições de spin do elétron, Fuchs e Huiyao Chen '20, o autor principal do artigo, usaram centros de vacância de nitrogênio (NV), que são defeitos na estrutura cristalina de um diamante. Os ressonadores acústicos são dispositivos de sistemas microeletromecânicos (MEMS) equipados com um transdutor. Quando a tensão é aplicada, o dispositivo vibra, enviando ondas acústicas de 2 a 3 gigahertz para o cristal. Essas frequências causam tensão e estresse no defeito, o que resulta na ressonância de spin do elétron.

Uma complicação:este processo também excita o campo magnético, portanto, os pesquisadores nunca estiveram totalmente seguros do efeito das vibrações mecânicas versus o efeito das oscilações magnéticas. Então, Fuchs e Chen começaram a medir meticulosamente o acoplamento entre as ondas acústicas e a transição de rotação, e compará-lo com os cálculos propostos por físicos teóricos.

“Conseguimos estabelecer separadamente a parte magnética e a parte acústica, e, assim, medir esse coeficiente desconhecido que determina com que força a única transição quântica se acopla às ondas acústicas, "Fuchs disse." A resposta foi, para nossa surpresa e deleite, que é uma ordem de magnitude maior do que o previsto. Isso significa que você pode realmente projetar dispositivos de ressonância de spin totalmente acústicos que seriam excelentes sensores de campo magnético, por exemplo, mas você não precisa de um campo de controle magnético para executá-los. "

Fuchs está trabalhando com o Centro de Licenciamento de Tecnologia de Cornell para patentear a descoberta, que podem ter aplicações importantes na tecnologia de navegação.

"Há um esforço significativo em todo o país para fazer sensores de campo magnético altamente estáveis ​​com centros NV de diamante, "Fuchs disse." As pessoas já estão construindo esses dispositivos baseados em ressonância magnética convencional usando antenas magnéticas. Acho que nossa descoberta terá um benefício tremendo em termos de quão compacto você pode torná-lo e a capacidade de fazer sensores independentes com espaçamento próximo. "