Ao ajustar a densidade de spin em alguns materiais, os pesquisadores podem desenvolver novos sensores quânticos ou simulações quânticas. — Strong The One

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e de outros lugares encontrou uma maneira de ajustar a densidade de rotação do diamante, alterando-a por um fator de dois, aplicando um laser externo ou feixe de micro-ondas. A descoberta, relatada esta semana na revista PNAS, poderia abrir muitas novas possibilidades para dispositivos quânticos avançados, dizem os autores. O artigo é uma colaboração entre alunos e ex-alunos dos professores Paola Cappellaro e Ju Li do MIT e colaboradores do Politecnico de Milão. O primeiro autor do artigo, Guoqing Wang PhD ’23, trabalhou em sua tese de doutorado no laboratório de Cappellaro e agora é pós-doutorando no MIT.

Um tipo específico de defeito de spin conhecido como centro de vacância de nitrogênio (NV) no diamante é um dos sistemas mais amplamente estudados para seu uso potencial em uma ampla variedade de aplicações quânticas. A rotação dos centros NV é sensível a qualquer distúrbio físico, elétrico ou óptico, tornando-os detectores potencialmente altamente sensíveis. “Defeitos de rotação de estado sólido são uma das plataformas quânticas mais promissoras”, diz Wang, em parte porque podem funcionar em condições de temperatura ambiente. Muitos outros sistemas quânticos requerem ultracold ou outros ambientes especializados.

“As capacidades de detecção em nanoescala dos centros NV os tornam promissores para sondar a dinâmica em seu ambiente de rotação, manifestando uma rica física quântica de muitos corpos ainda a ser compreendida”, acrescenta Wang. “Um grande defeito de rotação no ambiente, chamado centro P1, geralmente pode ser 10 a 100 vezes mais populoso que o centro NV e, portanto, pode ter interações mais fortes, tornando-os ideais para o estudo da física de muitos corpos”.

Mas, para ajustar suas interações, os cientistas precisam ser capazes de alterar a densidade do spin, algo que raramente havia sido alcançado anteriormente. Com essa nova abordagem, Wang diz: “Podemos ajustar a densidade de rotação para que ela forneça um botão potencial para realmente ajustar esse sistema. Essa é a principal novidade do nosso trabalho”.

Tal sistema ajustável poderia fornecer formas mais flexíveis de estudar a hidrodinâmica quântica, diz Wang. Mais imediatamente, o novo processo pode ser aplicado a alguns dispositivos de detecção quântica em nanoescala existentes como uma forma de melhorar sua sensibilidade.

Li, que ocupa um cargo conjunto nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, explica que os computadores e sistemas de processamento de informações de hoje são todos baseados no controle e detecção de cargas elétricas, mas alguns dispositivos inovadores estão começando a fazer uso da propriedade chamada spin. A empresa de semicondutores Intel, por exemplo, vem experimentando novos tipos de transistores que acoplam rotação e carga, potencialmente abrindo caminho para dispositivos baseados em spintrônica.

“Os transistores CMOS tradicionais usam muita energia”, diz Li, “mas se você usar spin, como neste projeto da Intel, poderá reduzir muito o consumo de energia”. A empresa também desenvolveu dispositivos de spin qubit de estado sólido para computação quântica, e “spin é algo que as pessoas querem controlar em sólidos porque é mais eficiente em termos de energia e também é um portador de informação quântica”.

No estudo de Li e seus colegas, o recém-conquistado nível de controle sobre a densidade de spin permite que cada centro NV atue como uma espécie de “radar” em escala atômica que pode detectar e controlar os spins próximos. “Basicamente, usamos um defeito NV específico para detectar os spins eletrônicos e nucleares ao redor. Este sensor quântico revela o ambiente de spin próximo e como isso é afetado dinamicamente pelo fluxo de carga, que neste caso é bombeado pelo laser”, diz Li.

Este sistema torna possível alterar dinamicamente a concentração de spin por um fator de dois, diz ele. Isso poderia levar a dispositivos em que um único defeito pontual ou um único átomo poderia ser a unidade computacional básica. “A longo prazo, um defeito de ponto único e o giro localizado e a carga localizada nesse defeito de ponto único podem ser uma lógica de computação. Pode ser um qubit, pode ser uma memória, pode ser um sensor.” ele diz.

Ele acrescenta que ainda há muito trabalho para desenvolver esse fenômeno recém-descoberto. “Ainda não chegamos exatamente lá”, diz ele, mas o que eles demonstraram até agora mostra que eles “realmente reduziram a medição e o controle do estado de rotação e carga de defeitos pontuais a um nível sem precedentes. Portanto, no longo prazo, acho que isso apoiaria o uso de defeitos individuais, ou um pequeno número de defeitos, para se tornarem os dispositivos de detecção e processamento de informações.”

Neste trabalho até agora, Wang diz, “encontramos esse fenômeno e o demonstramos”, mas é necessário mais trabalho para entender completamente o mecanismo físico do que está ocorrendo nesses sistemas. “Nosso próximo passo é aprofundar a física, então gostaríamos de saber melhor qual é o mecanismo físico subjacente” por trás dos efeitos que eles veem. A longo prazo, “com uma melhor compreensão desses sistemas, esperamos explorar mais ideias de simulação e detecção quântica, como simular hidrodinâmica quântica interessante e até mesmo transportar informações quânticas entre diferentes defeitos de rotação”.

As descobertas foram possíveis, em parte, pelo desenvolvimento da equipe de uma nova configuração de imagem de campo amplo que permite medir vários locais espaciais diferentes dentro do material cristalino simultaneamente, usando um rápido detector de fóton único, combinado com um microscópio. “So