Voor de eerste keer, onderzoekers waren in staat om kwantuminterferentie te bestuderen in een kwantumsysteem met drie niveaus en daarmee het gedrag van individuele elektronenspins te beheersen. Hiertoe, ze gebruikten een nieuwe nanostructuur waarin een kwantumsysteem is geïntegreerd in een mechanische oscillator op nanoschaal in de vorm van een diamanten cantilever. Natuurfysica heeft de studie gepubliceerd, die werd uitgevoerd aan de Universiteit van Basel en het Zwitserse Nanoscience Institute.

Elektronenspin is een fundamentele kwantummechanische eigenschap. In de kwantumwereld de elektronische spin beschrijft de draairichting van het elektron om zijn as, die normaal gesproken twee zogenaamde eigentoestanden kan bezetten die gewoonlijk worden aangeduid als "omhoog" en "omlaag". De kwantumeigenschappen van spin bieden interessante perspectieven voor toekomstige technologieën, bijvoorbeeld, in de vorm van uiterst nauwkeurige kwantumsensoren.

Spins combineren met mechanische oscillatoren

Onderzoekers onder leiding van professor Patrick Maletinsky en Ph.D. kandidaat Arne Barfuss van het Zwitserse Nanoscience Institute aan de Universiteit van Basel rapporteert in Natuurfysica een nieuwe methode om de kwantumspin te regelen met een mechanisch systeem.

Voor hun experimenteel onderzoek ze combineerden zo'n kwantumsysteem met een mechanische oscillator. Specifieker, de onderzoekers gebruikten elektronen die waren opgesloten in zogenaamde stikstof-vacature-centra en deze spins ingebed in enkelkristallijne mechanische resonatoren gemaakt van diamant.

Deze stikstof-vacature spins zijn bijzonder, omdat ze niet slechts twee, maar drie eigentoestanden, die kan worden omschreven als "omhoog, " "down" en "zero." Met behulp van de speciale koppeling van een mechanische oscillator aan de spin, ze toonden voor het eerst volledige kwantumcontrole over zo'n systeem met drie niveaus, op een manier die voorheen niet mogelijk was.

Vooral, de oscillator stelde hen in staat om alle drie de mogelijke overgangen in de spin aan te pakken en te bestuderen hoe de resulterende excitatiepaden met elkaar interfereren. Dit scenario, bekend als "rijden met gesloten contouren, " is nooit eerder onderzocht, maar opent interessante fundamentele en praktische perspectieven. Bijvoorbeeld, hun experiment zorgde voor een doorbreking van de tijdomkeringssymmetrie, wat betekent dat de eigenschappen van het systeem er fundamenteel anders uitzien als de tijdsrichting wordt omgekeerd dan zonder een dergelijke inversie. In dit scenario, de fase van de mechanische oscillator bepaalde of de spin "met de klok mee" omcirkelde (draairichting omhoog, omlaag, nul, omhoog) of 'tegen de klok in'.

Dit abstracte concept heeft praktische consequenties voor de fragiele kwantumtoestanden. Net als bij het bekende gedachte-experiment van Schrödinger's Cat, spins kunnen gedurende een bepaalde periode gelijktijdig bestaan ​​in een superpositie van twee of drie van de beschikbare eigentoestanden, de zogenaamde kwantumcoherentietijd.

Als de drie eigentoestanden aan elkaar zijn gekoppeld met behulp van de hier ontdekte gesloten contouraandrijving, de coherentietijd kan aanzienlijk worden verlengd, zoals de onderzoekers konden aantonen. Vergeleken met systemen waarin slechts twee van de drie mogelijke transities worden aangestuurd, coherentie bijna honderdvoudig toegenomen. Een dergelijke coherentiebescherming is een sleutelelement voor toekomstige kwantumtechnologieën en een ander belangrijk resultaat van dit werk.

De resultaten hebben een groot potentieel voor toekomstige toepassingen. Het is denkbaar dat het hybride resonator-spinsysteem kan worden gebruikt voor de nauwkeurige meting van tijdsafhankelijke signalen met frequenties in het gigahertz-bereik, bijvoorbeeld, in kwantumdetectie of kwantuminformatieverwerking. Voor tijdafhankelijke signalen afkomstig van objecten op nanoschaal, dergelijke taken zijn momenteel erg moeilijk op een andere manier aan te pakken. Hier, de combinatie van spin en een oscillerend systeem zou nuttig kunnen zijn, in het bijzonder vanwege de aangetoonde bescherming van spincoherentie.