Em 1998, pesquisadores, incluindo Mark Kubinec, da UC Berkeley, realizaram uma das primeiras computações quânticas simples usando moléculas individuais. Eles usaram pulsos de ondas de rádio para girar os spins de dois núcleos em uma molécula, com cada orientação "para cima" ou "para baixo" de cada giro armazenando informações da mesma forma que um estado "0" ou "1" armazena informações em um bit de dados clássico. Naqueles primeiros dias de computadores quânticos, a orientação combinada dos dois núcleos - isto é, o estado quântico da molécula - só poderia ser preservado por breves períodos em ambientes especialmente ajustados. Em outras palavras, o sistema rapidamente perdeu sua coerência. O controle sobre a coerência quântica é a etapa que faltava para a construção de computadores quânticos escaláveis.

Agora, pesquisadores estão desenvolvendo novos caminhos para criar e proteger a coerência quântica. Isso permitirá dispositivos de medição e processamento de informações extremamente sensíveis que funcionam em condições ambientais ou mesmo em condições extremas. Em 2018, Joel Moore, um cientista sênior do corpo docente do Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) e professor da UC Berkeley, garantiu fundos do Departamento de Energia para criar e liderar um Centro de Pesquisa de Fronteira de Energia (EFRC) - chamado Centro de Novos Caminhos para Coerência Quântica em Materiais (NPQC) - para promover esses esforços. "Os EFRCs são uma ferramenta importante para o DOE para permitir colaborações interinstitucionais focadas para fazer um progresso rápido em problemas científicos de vanguarda que estão além do escopo de pesquisadores individuais, "disse Moore.

Por meio do NPQC, cientistas do Berkeley Lab, UC Berkeley, UC Santa Bárbara, Laboratório Nacional de Argonne, e a Columbia University estão liderando o caminho para compreender e manipular a coerência em uma variedade de sistemas de estado sólido. Sua abordagem tripla concentra-se no desenvolvimento de novas plataformas para detecção quântica; projetar materiais bidimensionais que hospedam estados quânticos complexos; e explorar maneiras de controlar com precisão as propriedades eletrônicas e magnéticas de um material por meio de processos quânticos. A solução para esses problemas está na comunidade da ciência dos materiais. O desenvolvimento da capacidade de manipular a coerência em ambientes realistas requer uma compreensão aprofundada dos materiais que podem fornecer bit quântico alternativo (ou "qubit"), de detecção, ou tecnologias ópticas.

Descobertas básicas fundamentam novos desenvolvimentos que contribuirão para outros investimentos DOE em todo o Office of Science. Quando o programa entra em seu quarto ano, vários avanços estão estabelecendo a base científica para inovações na ciência da informação quântica.

Mais defeitos, mais oportunidades

Muitas das conquistas do NPQC até agora se concentram em plataformas quânticas que são baseadas em falhas específicas na estrutura de um material chamadas defeitos de spin. Um defeito de spin no fundo de cristal correto pode se aproximar da coerência quântica perfeita, ao mesmo tempo que possui robustez e funcionalidade bastante aprimoradas.

Essas imperfeições podem ser usadas para fazer plataformas de detecção de alta precisão. Cada defeito de rotação responde a flutuações extremamente sutis no ambiente; e coleções coerentes de defeitos podem alcançar exatidão e precisão sem precedentes. Mas entender como a coerência evolui em um sistema de muitos spins, onde todos os spins interagem uns com os outros, é assustador. Para enfrentar este desafio, Os pesquisadores do NPQC estão se voltando para um material comum que acaba sendo ideal para sensoriamento quântico:o diamante.

Na natureza, cada átomo de carbono na estrutura de cristal de um diamante se conecta a quatro outros átomos de carbono. Quando um átomo de carbono é substituído por um átomo diferente ou totalmente omitido, que comumente ocorre quando a estrutura cristalina do diamante se forma, o defeito resultante pode às vezes se comportar como um sistema atômico que tem um spin bem definido - uma forma intrínseca de momento angular transportado por elétrons ou outras partículas subatômicas. Muito parecido com essas partículas, certos defeitos no diamante podem ter uma orientação, ou polarização, que é "aumento de rotação" ou "redução de rotação".

Ao projetar vários defeitos de rotação diferentes em uma rede de diamante, Norman Yao, um cientista docente no Berkeley Lab e um professor assistente de física na UC Berkeley, e seus colegas criaram um sistema 3D com spins dispersos por todo o volume. Dentro desse sistema, os pesquisadores desenvolveram uma maneira de sondar o "movimento" da polarização do spin em escalas de comprimento minúsculas.

Usando uma combinação de técnicas de medição, os pesquisadores descobriram que o spin se move no sistema mecânico quântico quase da mesma maneira que o corante se move em um líquido. Aprender com os corantes acabou por ser um caminho de sucesso para a compreensão da coerência quântica, conforme publicado recentemente na revista Nature. Não apenas o comportamento emergente do spin fornece uma poderosa estrutura clássica para a compreensão da dinâmica quântica, mas o sistema de defeitos múltiplos fornece uma plataforma experimental para explorar como a coerência funciona também. Moore, o diretor NPQC e um membro da equipe que já estudou outros tipos de dinâmica quântica, descreveu a plataforma NPQC como "um exemplo exclusivamente controlável da interação entre a desordem, interações dipolares de longo alcance entre spins, e coerência quântica. "

Os tempos de coerência desses defeitos de spin dependem muito de seus arredores imediatos. Muitos avanços do NPQC se concentraram na criação e no mapeamento da sensibilidade à deformação na estrutura que cerca os defeitos individuais no diamante e em outros materiais. Isso pode revelar a melhor forma de projetar defeitos que tenham os tempos de coerência mais longos possíveis em materiais 3D e 2D. Mas como exatamente as mudanças impostas por forças no próprio material se correlacionam com as mudanças na coerência do defeito?

Descobrir, Os pesquisadores do NPQC estão desenvolvendo uma técnica para criar áreas deformadas em um cristal hospedeiro e medir a deformação. "Se você pensar sobre os átomos em uma rede em termos de uma mola de caixa, você obtém resultados diferentes, dependendo de como você os empurra, "disse Martin Holt, líder do grupo em microscopia eletrônica e de raios-X no Argonne National Laboratory e pesquisador principal do NPQC. Usando a fonte avançada de fótons e o centro para materiais em nanoescala, ambas as instalações do usuário no Laboratório Nacional de Argonne, ele e seus colegas oferecem uma imagem direta das áreas deformadas em um cristal hospedeiro. Até agora, a orientação de um defeito em uma amostra foi em grande parte aleatória. As imagens revelam quais orientações são mais sensíveis, fornecendo um caminho promissor para detecção quântica de alta pressão.

"É realmente lindo que você possa pegar algo como diamante e trazer utilidade a ele. Ter algo simples o suficiente para entender a física básica, mas que também pode ser manipulado o suficiente para fazer física complexa, é ótimo, "disse Holt.

Outro objetivo desta pesquisa é a capacidade de transferir um estado quântico, como o de um defeito no diamante, coerentemente de um ponto a outro usando elétrons. Trabalho de cientistas NPQC no Berkeley Lab e Argonne Lab estuda fios quânticos especiais que aparecem em camadas atomicamente finas de alguns materiais. A supercondutividade foi descoberta inesperadamente em um desses sistemas, uma camada tripla de folhas de carbono, pelo grupo liderado por Feng Wang, um cientista sênior do Berkeley Lab e professor da UC Berkeley, e líder do esforço do NPQC em materiais atomicamente finos. Deste trabalho, publicado em Natureza em 2019, Wang disse, "O fato de que os mesmos materiais podem oferecer condução unidimensional protegida e supercondutividade abre algumas novas possibilidades para proteger e transferir a coerência quântica."

Em direção a dispositivos úteis

Os sistemas de defeitos múltiplos não são importantes apenas como conhecimento científico fundamental. Eles também têm o potencial de se tornarem tecnologias transformadoras. Em novos materiais bidimensionais que estão abrindo o caminho para a eletrônica ultrarrápida e os sensores ultrassestáveis, Os pesquisadores do NPQC investigam como os defeitos de spin podem ser usados ​​para controlar as propriedades eletrônicas e magnéticas do material. Descobertas recentes ofereceram algumas surpresas.

"Uma compreensão fundamental dos materiais magnéticos em nanoescala e suas aplicações na spintrônica já levou a uma enorme transformação no armazenamento magnético e dispositivos sensores. Explorar a coerência quântica em materiais magnéticos pode ser o próximo salto para a eletrônica de baixa potência, "disse Peter Fischer, cientista sênior e vice-chefe da Divisão de Ciências de Materiais do Laboratório de Berkeley.

As propriedades magnéticas de um material dependem inteiramente do alinhamento dos spins nos átomos adjacentes. Ao contrário dos giros perfeitamente alinhados em um ímã de geladeira típico ou os ímãs usados ​​no armazenamento de dados clássico, os antiferromagnetos têm spins adjacentes que apontam em direções opostas e se cancelam efetivamente. Como resultado, os antiferromagnetos não "agem" magneticamente e são extremamente robustos a distúrbios externos. Os pesquisadores há muito procuram maneiras de usá-los em eletrônicos baseados em spin, onde a informação é transportada por rotação em vez de carga. A chave para fazer isso é encontrar uma maneira de manipular a orientação do giro e manter a coerência.

Em 2019, pesquisadores NPQC liderados por James Analytis, um cientista da faculdade de Berkeley Lab e professor associado de física na UC Berkeley, com o pós-doutorado Eran Maniv, observou que aplicando um pequeno, Um único pulso de corrente elétrica para minúsculos flocos de um antiferroímã fez com que os spins girassem e "mudassem" sua orientação. Como resultado, as propriedades do material podem ser ajustadas com extrema rapidez e precisão. "Compreender a física por trás disso exigirá mais observações experimentais e alguma modelagem teórica, "disse Maniv." Novos materiais podem ajudar a revelar como funciona. Este é o início de um novo campo de pesquisa. "

Agora, os pesquisadores estão trabalhando para localizar o mecanismo exato que impulsiona essa troca em materiais fabricados e caracterizados na Fundição Molecular, uma instalação de usuário no Berkeley Lab. Descobertas recentes, publicado em Science Advances and Nature Physics , sugerem que o ajuste fino dos defeitos em um material em camadas pode fornecer um meio confiável de controlar o padrão de rotação em novas plataformas de dispositivos. "Este é um exemplo notável de como ter muitos defeitos nos permite estabilizar uma estrutura magnética comutável, "disse Moore, o líder NPQC.

Tecendo novos tópicos

Em seu próximo ano de operação, NPQC terá como base o progresso deste ano. Os objetivos incluem explorar como vários defeitos interagem em materiais bidimensionais e investigar novos tipos de estruturas unidimensionais que podem surgir. Essas estruturas dimensionais mais baixas podem se provar como sensores para detectar as propriedades de menor escala de outros materiais. Adicionalmente, focar em como as correntes elétricas podem manipular as propriedades magnéticas derivadas do spin vinculará diretamente a ciência fundamental às tecnologias aplicadas.

O progresso rápido nessas tarefas requer a combinação de técnicas e conhecimentos que só podem ser criados dentro de uma grande estrutura colaborativa. "Você não desenvolve capacidades isoladamente, "disse Holt." O NPQC fornece o ambiente de pesquisa dinâmico que impulsiona a ciência e aproveita o que cada laboratório ou instalação está fazendo. "O centro de pesquisa, entretanto, oferece uma educação única nas fronteiras da ciência, incluindo oportunidades para desenvolver a força de trabalho científica que liderará a futura indústria quântica.

O NPQC traz um novo conjunto de questões e objetivos para o estudo da física básica dos materiais quânticos. Moore disse, "A mecânica quântica governa o comportamento dos elétrons nos sólidos, e esse comportamento é a base de grande parte da tecnologia moderna que consideramos natural. Mas agora estamos no início da segunda revolução quântica, onde propriedades como coerência ocupam o centro do palco, e entender como melhorar essas propriedades abre um novo conjunto de perguntas sobre os materiais para respondermos. "