Detektering af individuelle nukleare spins med enkelte sjældne jordarters ioner hostet i krystaller

Sjældne jordarters mineraler er en klasse af materialer med lignende egenskaber, der i øjeblikket bruges til at bygge en række forskellige enheder, inklusive LED'er, genopladelige batterier, magneter, lasere, og meget mere. Disse materialers elektronspin kan hostes i krystaller, skabe systemer med unikke egenskaber, der kunne tjene som grænseflader mellem telekommunikationsbåndfotoner og langlivede spin-kvantebits.

Interessant nok, disse systemer præsenterer elektronspin, der interagerer med omgivende nukleare spins, og de kunne således være særligt nyttige til udvikling af kvantehukommelsesværktøjer. Indtil nu, imidlertid, ingen forskere var i stand til at fornemme eller detektere proksimale nukleare spins hostet i sjældne jordarters relaterede krystaller.

I en undersøgelse omtalt i Fysiske anmeldelsesbreve , Det lykkedes forskere ved University of Stuttgart og Beijing Computational Science Research Center at opdage disse proksimale nukleare spins, mere specifikt, dem nær single Ce ³⁺ ioner hostet i en yttriumorthosilicat (YSO) krystal. Deres undersøgelse byggede på et tidligere papir offentliggjort i Naturkommunikation , hvor de udforskede de sammenhængende egenskaber af enkelte sjældne jordarters ioner hostet i en anden krystal.

"Vores tidligere undersøgelse blev udført på en YAG-krystal, som har et endnu tættere centrifugebad end YSO, og viste relativt kort sammenhængende interaktionstid for de undersøgte elektronspin, "Roman Kolesov, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "Den målte kohærenstid gav motivationen til at undersøge cerium i en anden værtskrystal med lidt mere fortyndet nukleart spinbad, nemlig YSO, som stadig har en betydelig mængde nukleare spin-isotoper med 100% yttrium-89 og 5% silicium-29."

I deres nye undersøgelse, Kolesov og hans kolleger ønskede at undersøge elektronspin med en forlænget sammenhængstid, hvilket er det, der i sidste ende fik dem til at undersøge sjældne jordarters materialer i en YSO-værtskrystal. En lang nok sammenhængstid, faktisk, i sidste ende ville give dem mulighed for at fornemme eksterne nukleare spins, hvilket var det primære formål med deres arbejde.

"Individuelle nukleare spins kan detekteres baseret på fluorescenssignaler fra undersøgte sjældne jordarters ioner, "Thomas Kornher, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "I vores eksperimenter, vi ophidsede ceriumelektronen med cirkulært polariserede laserpulser til en bestemt spin -tilstand. Ved hjælp af et mikrobølgefelt, spindet blev derefter bragt i en superpositionstilstand, som kan opfange forstyrrelsen af ​​eksterne nukleare spins."

Kolesov, Kornher og deres kolleger var i stand til at udvinde denne forstyrrelse af eksterne nukleare spins, som et fluorescerende signal afgivet af en anden sekvens af laserimpulser. Især, de udtrak med succes signalet om et individuelt eksternt kernespin i et tæt atomspinnebad. Deres papir etablerede således enkelte sjældne jordartioner som værdifulde sonder til at detektere enkelte nukleare spins i deres miljø.

"Hvis du betragter adresserede enkelt nukleare spins som en potentielt nyttig ressource inden for kvanteteknologier, såsom kvantefejlkorrektionsskemaer, derefter at sanse dem baseret på enkelte sjældne jordarters ioner giver adgang til en bred vifte af materialer, som nu kan overvejes til kvanteapplikationer, " sagde Kornher. "Det brede udvalg af nye materialer er baseret på den alsidige doping af sjældne jordarters ioner til faststofværter, som er et velstuderet felt, der bygger på undersøgelser af laserfysik."

Den nylige undersøgelse udført af dette hold af forskere indsamlede nye vigtige resultater, der kunne åbne nye muligheder for udvikling af kvantehukommelsesapplikationer, der anvender sjældne jordarters ionsystemer, som er baseret på koblede miljømæssige nukleare spins. I deres fremtidige arbejde, Kolesov, Kornher og deres kolleger vil gerne undersøge initialisering af atomspin, der kunne give adgang til atomspin. Mere specifikt, de planlægger at manipulere de individuelle nukleare spins opdaget i deres seneste undersøgelse og implementere kvantelogiske porte på dem.

"En metafor til at forklare resultaterne af vores undersøgelse kunne være, at vi var i stand til at høre den meget stille tone fra en myg (lad det endda være en kvantemyg) i en gade med tæt trafik (spinbadekar), " sagde Kolesov. "Indtil videre, vi kan kun høre det, men den næste opgave ville være at kontrollere dens flugt og det ultimative mål at kontrollere flere myg på én gang og skelne dem ved deres lidt forskellige stemmer."

© 2020 Science X Network