Detección y control de la densidad de espín microscópico en materiales.

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Los dispositivos electrónicos suelen utilizar la carga de los electrones, pero el espín (su otro grado de libertad) está empezando a explotarse. Los defectos de espín hacen que los materiales cristalinos sean muy útiles para dispositivos cuánticos, como sensores cuánticos ultrasensibles, dispositivos de memoria cuántica o sistemas para simular la física de los efectos cuánticos. Variar la densidad de espín en los semiconductores puede dar lugar a nuevas propiedades en un material (algo que los investigadores han querido explorar desde hace mucho tiempo), pero esta densidad suele ser fugaz y difícil de alcanzar, por lo que es difícil de medir y controlar localmente.

Ahora, un equipo de investigadores del MIT y de otros lugares ha encontrado una manera de ajustar la densidad de giro del diamante, cambiándola en un factor de dos, aplicando un láser externo o un haz de microondas. El hallazgo, publicado esta semana en la revista PNAS, podría abrir muchas posibilidades nuevas para dispositivos cuánticos avanzados, dicen los autores. El artículo es una colaboración entre alumnos actuales y anteriores de los profesores Paola Cappellaro y Ju Li en el MIT, y colaboradores del Politécnico de Milán. El primer autor del artículo, Guoqing Wang PhD '23, trabajó en su tesis doctoral en el laboratorio de Cappellaro y ahora es un postdoctorado en el MIT.

Un tipo específico de defecto de espín conocido como centro de vacantes de nitrógeno (NV) en el diamante es uno de los sistemas más estudiados por su uso potencial en una amplia variedad de aplicaciones cuánticas. El giro de los centros NV es sensible a cualquier perturbación física, eléctrica u óptica, lo que los convierte en detectores potencialmente muy sensibles. "Los defectos de espín de estado sólido son una de las plataformas cuánticas más prometedoras", dice Wang, en parte porque pueden funcionar en condiciones ambientales de temperatura ambiente. Muchos otros sistemas cuánticos requieren entornos ultrafríos u otros entornos especializados.

"Las capacidades de detección a nanoescala de los centros NV los hacen prometedores para sondear la dinámica en su entorno de espín, manifestando una rica física cuántica de muchos cuerpos aún por comprender", añade Wang. "Un defecto de espín importante en el entorno, llamado centro P1, normalmente puede ser de 10 a 100 veces más poblado que el centro NV y, por lo tanto, puede tener interacciones más fuertes, lo que lo hace ideal para estudiar la física de muchos cuerpos".

Pero para ajustar sus interacciones, los científicos necesitan poder cambiar la densidad de espín, algo que rara vez se había logrado antes. Con este nuevo enfoque, dice Wang, “podemos ajustar la densidad de giro de modo que proporcione una perilla potencial para ajustar dicho sistema. Ésa es la principal novedad de nuestro trabajo”.

Un sistema sintonizable de este tipo podría proporcionar formas más flexibles de estudiar la hidrodinámica cuántica, afirma Wang. De manera más inmediata, el nuevo proceso se puede aplicar a algunos dispositivos de detección cuántica a nanoescala existentes como una forma de mejorar su sensibilidad.

Li, que ocupa un cargo conjunto en los departamentos de Ciencia e Ingeniería Nuclear y Ciencia e Ingeniería de Materiales del MIT, explica que las computadoras y los sistemas de procesamiento de información actuales se basan en el control y la detección de cargas eléctricas, pero algunos dispositivos innovadores están comenzando a utilizarlos. de la propiedad llamada espín. La empresa de semiconductores Intel, por ejemplo, ha estado experimentando con nuevos tipos de transistores que combinan giro y carga, abriendo potencialmente un camino hacia dispositivos basados ​​en espintrónica.

"Los transistores CMOS tradicionales utilizan mucha energía", afirma Li, "pero si se utiliza el giro, como en este diseño de Intel, se puede reducir considerablemente el consumo de energía". La compañía también ha desarrollado dispositivos qubit de espín de estado sólido para la computación cuántica, y "el giro es algo que la gente quiere controlar en los sólidos porque es más eficiente energéticamente y también es un portador de información cuántica".

En el estudio de Li y sus colegas, el nuevo nivel de control sobre la densidad de espín permite que cada centro NV actúe como una especie de "radar" a escala atómica que puede detectar y controlar los espines cercanos. “Básicamente utilizamos un defecto NV particular para detectar los espines electrónicos y nucleares circundantes. Este sensor cuántico revela el entorno de espín cercano y cómo se ve afectado dinámicamente por el flujo de carga, que en este caso es bombeado por el láser”, dice Li.

Este sistema permite cambiar dinámicamente la concentración de espín en un factor de dos, afirma. En última instancia, esto podría conducir a dispositivos en los que un defecto puntual o un átomo único podrían ser la unidad computacional básica. “A largo plazo, un defecto de un solo punto, y el giro localizado y la carga localizada en ese defecto de un solo punto, pueden ser una lógica informática. Puede ser un qubit, puede ser una memoria, puede ser un sensor”, afirma.

Añade que queda mucho trabajo por hacer para desarrollar este fenómeno recién descubierto. "Aún no hemos llegado exactamente a ese punto", afirma, pero lo que han demostrado hasta ahora muestra que "realmente han reducido la medición y el control del estado de carga y giro de los defectos puntuales a un nivel sin precedentes". Entonces, a largo plazo, creo que esto respaldaría el uso de defectos individuales, o una pequeña cantidad de defectos, para convertirse en dispositivos de detección y procesamiento de información”.

Hasta ahora, en este trabajo, dice Wang, "encontramos este fenómeno y lo demostramos", pero se necesita más trabajo para comprender completamente el mecanismo físico de lo que está sucediendo en estos sistemas. "Nuestro siguiente paso es profundizar más en la física, por lo que nos gustaría saber mejor cuál es el mecanismo físico subyacente" detrás de los efectos que ven. A largo plazo, "con una mejor comprensión de estos sistemas, esperamos explorar más simulación cuántica y ideas de detección, como la simulación de hidrodinámica cuántica interesante e incluso el transporte de información cuántica entre diferentes defectos de espín".

Los hallazgos fueron posibles, en parte, gracias al desarrollo por parte del equipo de una nueva configuración de imágenes de campo amplio que les permite medir muchas ubicaciones espaciales diferentes dentro del material cristalino simultáneamente, utilizando una rápida matriz de detectores de fotón único, combinada con un microscopio. "Podemos obtener imágenes espaciales de la distribución de la densidad en diferentes especies de espín, como una huella digital, y de la dinámica del transporte de carga", aunque ese trabajo aún es preliminar, dice Wang.

Aunque su trabajo se realizó utilizando diamantes cultivados en laboratorio, los principios podrían aplicarse a otros defectos cristalinos de estado sólido, afirma. Los centros NV en diamantes han resultado atractivos para la investigación porque pueden utilizarse a temperatura ambiente y ya han sido bien estudiados. Pero los centros de vacantes de silicio, los donantes de silicio, los iones de tierras raras en sólidos y otros materiales cristalinos pueden tener diferentes propiedades que podrían resultar útiles para tipos particulares de aplicaciones.

“A medida que avance la ciencia de la información, eventualmente la gente podrá controlar las posiciones y la carga de átomos y defectos individuales. Ésa es la visión a largo plazo”, afirma Li. "Si se puede hacer que cada átomo almacene información diferente, la capacidad de almacenamiento y procesamiento de información es mucho mayor" en comparación con los sistemas existentes donde incluso un solo bit es almacenado por un dominio magnético de muchos átomos. "Se puede decir que es el límite máximo de la Ley de Moore: eventualmente llegar a un defecto o un átomo".

Si bien algunas aplicaciones pueden requerir mucha más investigación para desarrollarse a un nivel práctico, para algunos tipos de sistemas de detección cuántica, los nuevos conocimientos pueden traducirse rápidamente en usos en el mundo real, dice Wang. "Podemos mejorar inmediatamente el rendimiento de los sensores cuánticos basándonos en nuestros resultados", afirma.

"En general, este resultado es muy interesante para el campo de los defectos de espín del estado sólido", afirma Chong Zu, profesor asistente de física en la Universidad de Washington en St. Louis, que se especializa en información cuántica pero no participó en este trabajo. "En particular, introduce un enfoque poderoso que utiliza la dinámica de ionización de carga para ajustar continuamente la densidad de defectos de espín local, lo cual es importante en el contexto de las aplicaciones de los centros NV para simulación y detección cuántica".

El equipo de investigación incluyó a Changhao Li, Hao Tang, Boning Li, Francesca Madonini, Faisal Alsallom y Won Kyu Calvin Sun, todos en el MIT; Pai Peng de la Universidad de Princeton; y Federica Villa en el Politecnico de Milano, en Italia. El trabajo fue apoyado en parte por la Agencia de Proyectos de Investigación Avanzada de Defensa de EE. UU.

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