En første for kvantefysik:Elektronorbitaler manipuleret i diamanter

Selvom fejl i en diamant for det meste er uønskede, visse defekter er en kvantefysikers bedste ven, have potentiale til at gemme bidder af information, der en dag kunne bruges i et kvanteberegningssystem.

Anvendte fysikere ved Cornell University har demonstreret en teknik til at konstruere nogle af de vigtigste optiske egenskaber ved disse defekter, giver et nyt værktøj til at udforske kvantemekanik.

En gruppe forskere ledet af Greg Fuchs, professor i anvendt og teknisk fysik, er blevet de første til at bruge vibrationer produceret af en resonator til at hjælpe med at stabilisere disse optiske egenskaber, tvinger diamantens elektroner til en ophidset kredsløbstilstand. Forskningen er detaljeret i papiret "Orbital State Manipulation of a Diamond Nitrogen-Vacancy Center Using a Mechanical Resonator, "offentliggjort 17. april i tidsskriftet Fysisk gennemgangsbreve .

Ligesom en computers transistorer optager binær information ved enten at være "tændt" eller "slukket" "de indre tilstande for disse atomskala diamantdefekter kan også repræsentere bidder af information, såsom dens spin - en iboende form for vinkelmoment - at være "op" eller "ned". Men i modsætning til transistorer, som kun har to stater, spin besidder kvanteevnen til at være op og ned på samme tid. Brugt i kombination, disse kvantetilstande kunne registrere og dele information eksponentielt bedre end transistorer, giver computere mulighed for at udføre bestemte beregninger med en gang uanede hastigheder.

Udfordringen:Det er svært at overføre kvanteinformation fra et sted til et andet. Fysikere har eksperimenteret med en række materialer og teknikker til at gøre det, herunder brug af optiske egenskaber inde i atomdefekter af diamanter kendt som nitrogen-ledige centre.

"En ting diamantnitrogen-ledige centre kan være ganske gode til er kommunikation. Så du kan få et elektron-spin, hvilket er en god kvantetilstand, så kan du overføre dens tilstand til en foton af lys, "sagde Fuchs, der tilføjede, at fotonet derefter kan bære den smule information til en anden defekt. "En af udfordringerne ved at gøre det er at stabilisere det og få det til at fungere, som du vil. Vi har leveret en ny værktøjskasse til konstruktion af den optiske overgang for forhåbentlig at gøre det bedre."

Det var først nødvendigt for forskergruppen at konstruere en enhed, der kunne sende vibrationsbølger gennem diamantfejlen. En gigahertz-frekvens mekanisk resonator blev fremstillet af en enkelt krystal diamant, derefter blev lydbølger, der vibrerede ved omkring 1 gigahertz, sendt gennem defekt.

Målet var at bruge lyden til at ændre defektens optiske overgange, hvor ændringen fra en energitilstand til en anden resulterer i emission af en foton. Disse overgange har en tendens til at svinge baseret på forskellige miljøforhold, gør det svært at producere sammenhængende fotoner til at bære information.

Som et eksempel, tilfældigt svingende elektriske felter kan gøre optisk overgangsbølgelængde ustabil, ifølge Huiyao Chen, en doktorand, der ledede undersøgelsen.

"For at undertrykke virkningen af ​​disse usammenhængende udsving, "Sagde Chen, "En ting, vi kan gøre, er at fjerne koblingen mellem elektronbanen og det uønskede, tilfældige elektriske felter. Og det er her, lydbølgerne produceret af resonatoren spiller ind. "

For at vide, om forsøget fungerede, forskergruppen brugte et mikroskop med en afstembar bølgelængdelaser til at scanne diamantens kvælstofrum. Når laserens bølgelængde var i resonans med den optiske overgang, en udsendt foton kunne ses, en sikker indikator for, at elektronerne havde nået en ophidset tilstand. Forskerne undersøgte derefter, hvordan lydbølgerne kunne ændre kredsløbstilstande, og dermed ændre den optiske overgang.