Cientistas demonstram o potencial do spin do elétron para transmitir informações quânticas
A propagação do pacote de ondas Magnon em um antiferromagneto é revelada nesses instantâneos obtidos usando pares de pulsos de laser. Crédito:Joseph Orenstein/Berkeley Lab O spin do elétron é o bit quântico perfeito da natureza, capaz de estender o alcance do armazenamento de informações além de “um” ou “zero”. Explorar o grau de liberdade do spin do elétron (possíveis estados de spin) é um objetivo central da ciência da informação quântica.
Progressos recentes dos pesquisadores do Laboratório Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), Joseph Orenstein, Yue Sun, Jie Yao e Fanghao Meng, mostraram o potencial dos pacotes de ondas magnon - excitações coletivas do spin do elétron - para transportar informações quânticas por distâncias substanciais em uma classe de materiais conhecidos como antiferromagnetos.
Seu trabalho subverte a compreensão convencional sobre como tais excitações se propagam em antiferromagnetos. A próxima era das tecnologias quânticas – computadores, sensores e outros dispositivos – depende da transmissão de informações quânticas com fidelidade à distância.
Com a descoberta deles, relatada em um artigo publicado na Nature Physics , Orenstein e colegas de trabalho esperam ter dado um passo mais perto desses objetivos. Sua pesquisa faz parte de esforços mais amplos do Berkeley Lab para promover informações quânticas, trabalhando em todo o ecossistema de pesquisa quântica, da teoria à aplicação, para fabricar e testar dispositivos baseados em quântica e desenvolver software e algoritmos.
Os spins dos elétrons são responsáveis pelo magnetismo nos materiais e podem ser considerados pequenas barras magnéticas. Quando os spins vizinhos são orientados em direções alternadas, o resultado é uma ordem antiferromagnética e o arranjo não produz magnetização líquida.
Para entender como os pacotes de ondas magnon se movem através de um material antiferromagnético, o grupo de Orenstein usou pares de pulsos de laser para perturbar a ordem antiferromagnética em um lugar enquanto sondava em outro lugar, produzindo instantâneos de sua propagação. Essas imagens revelaram que os pacotes de ondas magnon se propagam em todas as direções, como ondulações de uma pedra caída em um lago.
A equipe do Berkeley Lab também mostrou que os pacotes de ondas magnon no antiferromagneto CrSBr (brometo de sulfeto de cromo) se propagam mais rápido e por distâncias mais longas do que os modelos existentes poderiam prever. Os modelos assumem que o spin de cada elétron se acopla apenas aos seus vizinhos. Uma analogia é um sistema de esferas conectadas a vizinhos próximos por molas; deslocar uma esfera de sua posição preferida produz uma onda de deslocamento que se espalha com o tempo.
Surpreendentemente, tais interações prevêem uma velocidade de propagação muito mais lenta do que a que a equipe realmente observou.
"No entanto, lembre-se de que cada elétron giratório é como uma pequena barra magnética. Se imaginarmos substituir as esferas por minúsculas barras magnéticas representando os elétrons giratórios, a imagem muda completamente", disse Orenstein. "Agora, em vez de interações locais, cada barra magnética se acopla a todas as outras em todo o sistema por meio da mesma interação de longo alcance que puxa um ímã de geladeira até a porta da geladeira."
