Single-qubit detectie geeft een nieuwe spin op het ontdekken van kwantummaterialen

Werkend op nanoschaaldimensies, onthulde een team van wetenschappers onder leiding van het Oak Ridge National Laboratory van het Department of Energy een nieuwe manier om snelle schommelingen in magnetische materialen te meten. Kennis verkregen door deze nieuwe metingen, gepubliceerd in Nano letterskan worden gebruikt om technologieën te bevorderen, variërend van traditioneel computergebruik tot het opkomende veld van kwantum computing.

Veel materialen ondergaan fase-overgangen gekenmerkt door temperatuurafhankelijke stapsgewijze veranderingen van belangrijke fundamentele eigenschappen. Inzicht in het gedrag van materialen in de buurt van een kritische overgangstemperatuur is de sleutel tot het ontwikkelen van nieuwe technologieën die profiteren van unieke fysieke eigenschappen.

In deze studie gebruikte het team een ​​kwantumsensor op nanoschaal om spinschommelingen te meten in de buurt van een fase -overgang in een magnetische dunne film. Dunne films met magnetische eigenschappen bij kamertemperatuur zijn essentieel voor gegevensopslag, sensoren en elektronische apparaten omdat hun magnetische eigenschappen nauwkeurig kunnen worden geregeld en gemanipuleerd.

Het team gebruikte een gespecialiseerd instrument genaamd een scanning stikstof-vacancy center microscoop in het Center for Nanophas Materials Sciences, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in Ornl. Een stikstof-vacancycentrum is een defect op atoomschaal in diamant waarbij een stikstofatoom de plaats inneemt van een koolstofatoom en een aangrenzend koolstofatoom ontbreekt, waardoor een speciale configuratie van kwantumspinstatus ontstaat. In een microscoop in het stikstof-vacancy-centrum reageert het defect op statische en fluctuerende magnetische velden, waardoor wetenschappers signalen op een enkel spin-niveau kunnen detecteren om nanoschaalstructuren te onderzoeken.

“Het stikstof-vacancycentrum functioneert zowel een kwantumbit als een qubit, en een zeer gevoelige sensor die we bovenop de dunne film hebben verplaatst om temperatuurafhankelijke veranderingen in magnetische eigenschappen en spinfluctuaties te meten die niet op een andere manier kunnen worden gemeten,” zei Ornl’s Ben Lawrie, een onderzoekswetenschapper in de materialenwetenschap en technologieafdeling.

Spinschommelingen worden waargenomen wanneer de magnetische eigenschappen van een materiaal dat wordt bepaald door de spinoriëntatie van richting blijven veranderen in plaats van vast te blijven. Het team gemeten de spinschommelingen terwijl de dunne film door een fase -overgang ging tussen verschillende magnetische toestanden die werd geïnduceerd door de monstertemperatuur te veranderen.

Deze metingen onthulden hoe lokale veranderingen in spinfluctuaties wereldwijd bij elkaar zijn gekoppeld nabij fase -overgangen. Dit begrip op nanoschaal van interactie-spins kan leiden tot nieuwe spin-gebaseerde informatietechnologieën en diepere inzichten in brede klassen van kwantummaterialen.

“Vooruitgang in spintronics zal de digitale opslag- en computerefficiëntie verbeteren. Ondertussen biedt spin-gebaseerde kwantum computing de verleidelijke belofte van klassiek ontoegankelijke simulatie als we kunnen leren interacties tussen spins en hun omgeving te beheersen,” zei Lawrie.

Dit type onderzoek overbrugt de mogelijkheden van Ornl in kwantuminformatie en gecondenseerde materie. “Als we de generatie van kwantumbronnen van vandaag kunnen gebruiken om nieuw begrip te krijgen van klassieke en kwantumstaten in materialen, zal dat ons helpen nieuwe kwantumapparaten te ontwerpen met toepassingen in netwerken, detectie en computergebruik,” zei Lawrie.