Akustik sætter et nyt spin på elektronovergange

Elektroner er meget prisgivne magnetfelter, som forskere kan manipulere med at kontrollere elektronerne og deres vinkelmoment - dvs. deres "spin".

Et Cornell -team ledet af Greg Fuchs, adjunkt i anvendt og teknisk fysik i College of Engineering, i 2013 opfandt en ny måde at udøve denne kontrol på ved hjælp af akustiske bølger genereret af mekaniske resonatorer. Denne fremgangsmåde gjorde det muligt for teamet at kontrollere elektron -spin -overgange (også kendt som spin -resonans), der ellers ikke ville være mulige gennem konventionel magnetisk adfærd.

Fundet var en velsignelse for alle, der ønsker at bygge kvantesensorer af den slags, der bruges i mobile navigationsenheder. Imidlertid, sådanne enheder krævede stadig et magnetisk kontrolfelt - og derfor en omfangsrig magnetisk antenne - for at drive visse spin -overgange.

Nu, Fuchs gruppe har vist, at disse overgange udelukkende kan drives af akustik. Dette eliminerer behovet for den magnetiske antenne, gør det muligt for ingeniører at bygge mindre, mere strømeffektive akustiske sensorer, der kan pakkes tættere på en enkelt enhed.

Holdets papir, "Akustisk kørsel af den enkelt kvantespinovergang til diamantkvælstof-centre, "udgivet 27. maj i Fysisk gennemgang anvendt .

"Du kan bruge et magnetfelt til at drive disse spinovergange, men et magnetfelt er faktisk et meget udvidet, stort objekt, "Sagde Fuchs." I modsætning hertil, akustiske bølger kan være meget begrænsede. Så hvis du tænker på at kontrollere forskellige områder med spins inde i din chip, lokalt og uafhængigt, så er det en fornuftig tilgang at gøre det med akustiske bølger. "

For at drive elektron -spin -overgange, Fuchs og Huiyao Chen '20, papirets hovedforfatter, brugte nitrogen-vacancy (NV) centre, som er defekter i krystalgitteret på en diamant. De akustiske resonatorer er mikroelektromekaniske systemer (MEMS) udstyr udstyret med en transducer. Når der påføres spænding, enheden vibrerer, sender akustiske bølger på 2 til 3 gigahertz ind i krystallen. Disse frekvenser forårsager belastning og stress i defekten, hvilket resulterer i elektron -spin -resonans.

En komplikation:Denne proces ophidser også magnetfeltet, så forskerne har aldrig været helt sikre på effekten af ​​de mekaniske vibrationer kontra effekten af ​​de magnetiske svingninger. Så Fuchs og Chen satte sig for omhyggeligt at måle koblingen mellem de akustiske bølger og spinovergangen, og sammenlign det med beregningerne foreslået af teoretiske fysikere.

"Vi var i stand til separat at etablere den magnetiske del og den akustiske del, og derved måle den ukendte koefficient, der bestemmer, hvor stærkt den enkelte kvanteovergang kobler til akustiske bølger, "Fuchs sagde." Svaret var, til vores overraskelse og glæde, at det er en størrelsesorden større end forudsagt. Det betyder, at du virkelig kan designe fuldt akustiske spin -resonansanordninger, der ville lave fremragende magnetiske feltsensorer, for eksempel, men du behøver ikke et magnetisk kontrolfelt for at køre dem. "

Fuchs arbejder sammen med Cornells Center for Teknologilicensiering for at patentere opdagelsen, som kunne have vigtige applikationer inden for navigationsteknologi.

"Der er en betydelig indsats på landsplan for at lave meget stabile magnetfeltsensorer med diamant NV -centre, "Fuchs sagde." Folk bygger allerede disse enheder baseret på konventionel magnetisk resonans ved hjælp af magnetiske antenner. Jeg tror, ​​at vores opdagelse vil have en enorm fordel med hensyn til, hvor kompakt du kan gøre det og evnen til at lave uafhængige sensorer, der er tæt på hinanden. "