Forskere låser op for en hemmelig vej til en kvantefremtid

I 1998, forskere inklusive Mark Kubinec fra UC Berkeley udførte en af ​​de første simple kvanteberegninger ved hjælp af individuelle molekyler. De brugte pulser af radiobølger til at vende spins af to kerner i et molekyle, med hvert spins "op" eller "ned" orientering gemmer information på den måde, som en "0" eller "1" tilstand gemmer information i en klassisk databit. I de tidlige dage med kvantecomputere, den kombinerede orientering af de to kerner - dvs. molekylets kvantetilstand – kunne kun bevares i korte perioder i særligt afstemte miljøer. Med andre ord, systemet mistede hurtigt sin sammenhæng. Kontrol over kvantekohærens er det manglende trin til at bygge skalerbare kvantecomputere.

Nu, forskere udvikler nye veje til at skabe og beskytte kvantekohærens. Hvis du gør det, vil det muliggøre udsøgt følsomme måle- og informationsbehandlingsenheder, der fungerer under omgivende eller endda ekstreme forhold. I 2018, Joel Moore, en senior videnskabsmand ved Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) og professor ved UC Berkeley, sikret midler fra Department of Energy til at skabe og lede et Energy Frontier Research Center (EFRC) – kaldet Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC) – for at fremme disse bestræbelser. "EFRC'erne er et vigtigt værktøj for DOE til at muliggøre fokuserede interinstitutionelle samarbejder for at gøre hurtige fremskridt på forreste videnskabelige problemer, der ligger uden for rammerne af individuelle efterforskere, "sagde Moore.

Gennem NPQC, forskere fra Berkeley Lab, UC Berkeley, UC Santa Barbara, Argonne National Laboratory, og Columbia University leder vejen til at forstå og manipulere sammenhæng i en række solid-state systemer. Deres tredelte tilgang fokuserer på at udvikle nye platforme til kvantesansning; design af todimensionelle materialer, der er vært for komplekse kvantetilstande; og udforske måder til præcist at kontrollere et materiales elektroniske og magnetiske egenskaber via kvanteprocesser. Løsningen på disse problemer ligger i det materialevidenskabelige samfund. Udvikling af evnen til at manipulere sammenhæng i realistiske miljøer kræver dybdegående forståelse af materialer, der kunne give alternativ kvantebit (eller "qubit"), sansning, eller optiske teknologier.

Grundlæggende opdagelser ligger til grund for yderligere udvikling, der vil bidrage til andre DOE -investeringer på tværs af Office of Science. Da programmet går ind i sit fjerde år, flere gennembrud lægger det videnskabelige grundlag for innovationer inden for kvanteinformationsvidenskab.

Flere defekter, flere muligheder

Mange af NPQC's resultater fokuserer indtil videre på kvanteplatforme, der er baseret på specifikke fejl i et materiales struktur kaldet spindefekter. En spindefekt i den rigtige krystalbaggrund kan nærme sig perfekt kvantekohærens, samtidig med at den besidder stærkt forbedret robusthed og funktionalitet.

Disse ufuldkommenheder kan bruges til at lave højpræcisionssensorplatforme. Hver spindefekt reagerer på ekstremt subtile udsving i miljøet; og sammenhængende samlinger af defekter kan opnå hidtil uset nøjagtighed og præcision. Men at forstå, hvordan sammenhæng udvikler sig i et system med mange spins, hvor alle spins interagerer med hinanden, er skræmmende. For at imødekomme denne udfordring, NPQC-forskere henvender sig til et almindeligt materiale, der viser sig at være ideelt til kvantesansning:diamant.

I naturen, hvert kulstofatom i en diamants krystalstruktur forbindes med fire andre kulstofatomer. Når et kulstofatom erstattes af et andet atom eller helt udelades, som almindeligvis forekommer, når diamantens krystalstruktur dannes, den resulterende defekt kan nogle gange opføre sig som et atomsystem, der har et veldefineret spin - en iboende form for vinkelmoment båret af elektroner eller andre subatomære partikler. Ligesom disse partikler, visse defekter i diamant kan have en orientering, eller polarisering, det er enten "spin-up" eller "spin-down".

Ved at konstruere flere forskellige spindefekter i et diamantgitter, Norman Yao, en fakultetsforsker ved Berkeley Lab og en assisterende professor i fysik ved UC Berkeley, og hans kolleger skabte et 3D-system med spins spredt over hele volumen. Inden for det system, forskerne udviklede en måde at undersøge "bevægelsen" af spinpolarisering på små længdeskalaer.

Ved at bruge en kombination af måleteknikker, forskerne fandt ud af, at spin bevæger sig rundt i det kvantemekaniske system på næsten samme måde, som farvestof bevæger sig i en væske. At lære af farvestoffer har vist sig at være en vellykket vej til at forstå kvantesammenhæng, som for nylig offentliggjort i tidsskriftet Nature. Ikke alene giver den opståede opførsel af spin en kraftfuld klassisk ramme til forståelse af kvantedynamik, men multi-defekt-systemet giver også en eksperimentel platform til at udforske, hvordan sammenhæng fungerer. Moore, NPQC-direktøren og et medlem af teamet, der tidligere har studeret andre former for kvantedynamik, beskrev NPQC-platformen som "et unikt kontrollerbart eksempel på samspillet mellem lidelse, langtrækkende dipolære interaktioner mellem spins, og kvantekohærens."

Disse spindefekters kohærenstider afhænger i høj grad af deres umiddelbare omgivelser. Mange NPQC-gennembrud har fokuseret på at skabe og kortlægge belastningsfølsomheden i strukturen omkring individuelle defekter i diamanter og andre materialer. Dette kan afsløre, hvordan man bedst konstruerer defekter, der har de længst mulige sammenhængstider i 3D- og 2D-materialer. Men præcis hvordan kan de ændringer, som kræfter påfører selve materialet, korrelere med ændringer i defektens sammenhæng?

At finde ud af, NPQC-forskere udvikler en teknik til at skabe deforme områder i en værtskrystal og måle belastningen. "Hvis du tænker på atomer i et gitter i form af en boksfjeder, du får forskellige resultater afhængigt af hvordan du presser på dem, sagde Martin Holt, gruppeleder i elektron- og røntgenmikroskopi ved Argonne National Laboratory og hovedforsker med NPQC. Ved at bruge den avancerede fotonkilde og center for materialer i nanoskala, begge brugerfaciliteter på Argonne National Laboratory, han og hans kolleger giver et direkte billede af de deforme områder i en værtskrystal. Indtil nu, en defekt orientering i en prøve har for det meste været tilfældig. Billederne afslører, hvilke retninger der er mest følsomme, giver en lovende vej til højtryks kvanteregistrering.

"Det er virkelig smukt, at du kan tage noget som diamant og bringe nytte til det. At have noget simpelt nok til at forstå den grundlæggende fysik, men som også kan manipuleres nok til at lave kompleks fysik er fantastisk, sagde Holt.

Et andet mål for denne forskning er evnen til at overføre en kvantetilstand, som en defekt i diamant, sammenhængende fra et punkt til et andet ved hjælp af elektroner. Arbejde fra NPQC-forskere ved Berkeley Lab og Argonne Lab studerer specielle kvantetråde, der optræder i atomisk tynde lag af nogle materialer. Superledning blev uventet opdaget i et sådant system, et tredobbelt lag carbonplader, af gruppen ledet af Feng Wang, en seniorforsker fra Berkeley Lab -fakultetet og professor i UC Berkeley, og leder af NPQC's indsats inden for atomisk tynde materialer. Af dette arbejde, udgivet i Natur i 2019, Wang sagde, "Det faktum, at de samme materialer kan tilbyde både beskyttet endimensionel ledning og superledning, åbner nogle nye muligheder for at beskytte og overføre kvantekohærens."

Mod nyttige enheder

Multi-defekt systemer er ikke kun vigtige som grundlæggende videnskabelig viden. De har også potentialet til at blive transformative teknologier. I nye todimensionelle materialer, der baner vejen for ultrahurtig elektronik og ultrastabile sensorer, NPQC-forskere undersøger, hvordan spindefekter kan bruges til at kontrollere materialets elektroniske og magnetiske egenskaber. De seneste resultater har budt på nogle overraskelser.

"En grundlæggende forståelse af magnetiske materialer på nanoskala og deres anvendelser inden for spintronik har allerede ført til en enorm transformation i magnetiske lagrings- og sensorenheder. Udnyttelse af kvantekohærens i magnetiske materialer kan være det næste spring mod laveffektelektronik, sagde Peter Fischer, seniorforsker og afdelingsdeputeret i Materials Sciences Division på Berkeley Lab.

Et materiales magnetiske egenskaber afhænger helt af justeringen af ​​spins i tilstødende atomer. I modsætning til de pænt afstemte spins i en typisk køleskabsmagnet eller magneterne, der bruges i klassisk datalagring, antiferromagneter har tilstødende spins, der peger i modsatte retninger og effektivt ophæver hinanden. Som resultat, antiferromagneter "virker" ikke magnetisk og er ekstremt robuste over for eksterne forstyrrelser. Forskere har længe søgt efter måder at bruge dem i spin-baseret elektronik, hvor information transporteres med spin i stedet for ladning. Nøglen til at gøre det er at finde en måde at manipulere spin-orientering og opretholde sammenhæng.

I 2019 NPQC -forskere ledet af James Analytis, en fakultetsforsker ved Berkeley Lab og lektor i fysik ved UC Berkeley, med postdoc Eran Maniv, bemærket, at anvendelse af en lille, en enkelt puls af elektrisk strøm til små flager af en antiferromagnet fik spinsene til at rotere og "skifte" deres orientering. Som resultat, materialets egenskaber kunne indstilles ekstremt hurtigt og præcist. "Forståelse af fysikken bag dette vil kræve flere eksperimentelle observationer og nogle teoretiske modellering, " sagde Maniv. "Nye materialer kunne hjælpe med at afsløre, hvordan det virker. Dette er begyndelsen på et nyt forskningsfelt."

Nu, forskerne arbejder på at finde frem til den nøjagtige mekanisme, der driver denne omskiftning af materialer fremstillet og karakteriseret ved Molecular Foundry, en brugerfacilitet hos Berkeley Lab. Nylige fund, udgivet i Science Advances and Nature Physics , tyder på, at finjustering af defekterne i et lagdelt materiale kunne give et pålideligt middel til at kontrollere spinmønsteret i nye enhedsplatforme. "Dette er et bemærkelsesværdigt eksempel på, hvordan det at have mange defekter lader os stabilisere en omskiftelig magnetisk struktur, " sagde Moore, NPQC-lederen.

Spinde nye tråde

I dets næste driftsår, NPQC vil bygge videre på dette års fremskridt. Mål inkluderer at udforske, hvordan flere defekter interagerer i todimensionelle materialer og at undersøge nye former for endimensionelle strukturer, der kunne opstå. Disse lavere dimensionelle strukturer kunne vise sig som sensorer til at detektere andre materialers mindste skala egenskaber. Derudover at fokusere på, hvordan elektriske strømme kan manipulere spin-afledte magnetiske egenskaber, vil direkte forbinde fundamental videnskab med anvendte teknologier.

Hurtige fremskridt i disse opgaver kræver en kombination af teknikker og ekspertise, som kun kan skabes inden for en stor samarbejdsramme. "Man udvikler ikke evner isoleret, " sagde Holt. "NPQC giver det dynamiske forskningsmiljø, der driver videnskaben og udnytter, hvad hvert laboratorium eller hver enkelt facilitet laver." Forskningscentret tilbyder i mellemtiden en unik uddannelse på videnskabens grænser, herunder muligheder for at udvikle den videnskabelige arbejdsstyrke, der vil lede fremtidens kvanteindustri.

NPQC bringer et nyt sæt spørgsmål og mål til studiet af den grundlæggende fysik af kvantematerialer. Moore sagde, "Kvantemekanik styrer elektronernes opførsel i faste stoffer, og denne adfærd er grundlaget for meget af den moderne teknologi, vi tager for givet. Men vi er nu ved begyndelsen af ​​den anden kvanterevolution, hvor egenskaber som sammenhæng tager centrum, og at forstå, hvordan man forbedrer disse egenskaber, åbner et nyt sæt spørgsmål om materialer, som vi kan besvare."