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(Noticias de Nanowerk) Mediante el uso de fotones y qubits de espín de electrones para controlar los espines nucleares en un material bidimensional, los investigadores de la Universidad de Purdue han abierto una nueva frontera en la ciencia y la tecnología cuánticas, permitiendo aplicaciones como la espectroscopia de resonancia magnética nuclear a escala atómica y la lectura y escritura de información cuántica. con espines nucleares en 2D -Materiales.
Como se publicó en materiales naturales («Polarización y control de espín nuclear en nitruro de boro hexagonal»), el equipo de investigación utilizó qubits de espín de electrones como sensores a escala atómica y también para efectuar el primer control experimental de qubits de espín nuclear en nitruro de boro hexagonal ultrafino.
![Representación del espín del electrón](https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news2/newsid=61280.php/id61280_1.jpg)
«Este es el primer trabajo que muestra la inicialización óptica y el control coherente de espines nucleares en materiales 2D», dijo el autor correspondiente Tongcang Li, profesor asociado de física y astronomía e ingeniería eléctrica e informática en Purdue y miembro de Purdue Quantum Science and Engineering. institutos
«Ahora podemos usar la luz para inicializar espines nucleares, y con ese control podemos escribir y leer información cuántica con espines nucleares en materiales 2D». Este método puede tener muchas aplicaciones diferentes en memoria cuántica, detección cuántica y simulación cuántica”.
La tecnología cuántica depende del qubit, que es la versión cuántica de un bit informático clásico. A menudo se construye con un átomo, una partícula subatómica o un fotón en lugar de un transistor de silicio. En un qubit de espín nuclear o electrónico, el estado binario familiar «0» o «1» de un bit de computadora clásico está representado por el espín, una propiedad más o menos análoga a la polaridad magnética, lo que significa que el espín es sensible a las reacciones de un campo electromagnético. Para realizar una tarea, el giro primero debe ser controlado y coherente o sostenido.
Luego, el spin qubit se puede usar como sensor, estudiando, por ejemplo, la estructura de una proteína o la temperatura de un objetivo con resolución a nanoescala. Los electrones atrapados en los defectos de los cristales de diamante 3D han producido imágenes y resolución de detección en el rango de 10 a 100 nanómetros.
Pero los qubits incrustados en materiales de una sola capa o 2D pueden acercarse a una muestra objetivo, ofreciendo una resolución aún mayor y una señal más fuerte. El camino hacia este objetivo fue allanado en 2019 por el primer qubit de espín de electrones en nitruro de boro hexagonal, que puede existir en una sola capa al eliminar un átomo de boro de la red atómica y capturar un electrón en su lugar. Los llamados qubits de espín de electrones vacantes de boro también ofrecieron una forma atractiva de controlar el espín nuclear de los átomos de nitrógeno que rodean cada qubit de espín de electrones en la red.
En este trabajo, Li y su equipo establecieron una interfaz entre fotones y espines nucleares en nitruros de boro hexagonales ultrafinos.
Los espines nucleares se pueden inicializar ópticamente, establecer en un espín conocido, a través de los qubits de espín de electrones circundantes. Una vez inicializada, una radiofrecuencia se puede usar para alterar el qubit de espín nuclear, esencialmente «escribiendo» información, o para medir cambios en los qubits de espín nuclear, o para «leer» información. Su método utiliza tres núcleos de nitrógeno simultáneamente, con tiempos de coherencia más de 30 veces más largos que los qubits de electrones a temperatura ambiente. Y el material 2D se puede colocar en capas directamente sobre otro material, creando un sensor incorporado.
«Una red de espín nuclear 2D será adecuada para simulaciones cuánticas a gran escala», dijo Li. «Puede operar a temperaturas más altas que los qubits superconductores».
Para controlar un qubit de espín nuclear, los investigadores primero quitaron un átomo de boro de la red y lo reemplazaron con un electrón. El electrón está ahora en el centro de tres átomos de nitrógeno. En este punto, cada núcleo de nitrógeno se encuentra en un estado de espín aleatorio, que puede ser -1, 0 o +1.
Luego, el electrón se bombea a un estado de espín 0 con luz láser, lo que tiene un efecto insignificante en el espín del núcleo de nitrógeno.
Finalmente, una interacción hiperfina entre el electrón excitado y los tres núcleos de nitrógeno que lo rodean fuerza un cambio de espín nuclear. Si el ciclo se repite varias veces, el espín del núcleo alcanza el estado +1, donde permanece independiente de las interacciones repetidas. Cuando los tres núcleos se configuran en el estado +1, se pueden usar como un trío de qubits.
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