Zeldzame aardmineralen zijn een klasse van materialen met vergelijkbare eigenschappen die momenteel worden gebruikt om een ​​verscheidenheid aan apparaten te bouwen, inclusief LED's, oplaadbare batterijen, magneten, lasers, en nog veel meer. De elektronenspins van deze materialen kunnen worden gehost in kristallen, het creëren van systemen met unieke eigenschappen die kunnen dienen als interfaces tussen telecombandfotonen en langlevende spinkwantumbits.

interessant, deze systemen presenteren elektronenspins die interageren met omringende kernspins, en ze zouden dus bijzonder nuttig kunnen zijn voor de ontwikkeling van kwantumgeheugentools. Tot dusver, echter, geen enkele onderzoekers waren in staat om proximale kernspins te detecteren of te detecteren die worden gehost in zeldzame-aarde-gerelateerde kristallen.

In een studie in Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoekers van de Universiteit van Stuttgart en het Beijing Computational Science Research Center zijn erin geslaagd deze proximale kernspins te detecteren, specifieker, die in de buurt van enkele Ce ³⁺ ionen gehost in een yttriumorthosilicaat (YSO) kristal. Hun studie bouwde voort op een eerder artikel gepubliceerd in Natuurcommunicatie , waarin ze de coherente eigenschappen van enkele zeldzame-aarde-ionen in een ander kristal onderzochten.

"Onze vorige studie werd uitgevoerd op een YAG-kristal, die een nog dichter spinbad heeft dan YSO, en toonde een relatief korte coherente interactietijd voor de onderzochte elektronenspins, "Romein Kolesov, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "De gemeten coherentietijd gaf de motivatie om cerium te onderzoeken in een ander gastheerkristal met een iets meer verdund kernspinbad, namelijk YSO, die nog steeds een aanzienlijke hoeveelheid nucleaire spin-isotopen heeft met 100% yttrium-89 en 5% silicium-29."

In hun nieuwe studie Kolesov en zijn collega's wilden elektronenspins met een verlengde coherentietijd onderzoeken, dat is wat hen uiteindelijk ertoe bracht om zeldzame aardmaterialen in een YSO-gastkristal te onderzoeken. Een voldoende lange coherentietijd, in feite, zou hen uiteindelijk in staat stellen om externe kernspins waar te nemen, dat was het hoofddoel van hun werk.

"Individuele kernspins kunnen worden gedetecteerd op basis van fluorescentiesignalen van onderzochte zeldzame-aarde-ionen, "Thomas Kornher, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Bij onze experimenten we hebben het cerium-elektron geëxciteerd met circulair gepolariseerde laserpulsen in een specifieke spintoestand. Met behulp van een microgolfveld, de spin werd vervolgens in een superpositietoestand gebracht, die de verstoring van externe kernspins kan opvangen."

Kolesov, Kornher en hun collega's waren in staat om deze verstoring van externe kernspins te extraheren, als een fluorescerend signaal dat wordt afgegeven door een andere reeks laserpulsen. Het meest opvallend is, ze hebben met succes het signaal van een individuele externe kernspin in een dicht kernspinbad geëxtraheerd. Hun paper stelde dus enkele zeldzame-aarde-ionen vast als waardevolle sondes voor het detecteren van enkele nucleaire spins in hun omgeving.

"Als je adresseerbare enkele kernspins beschouwt als een potentieel bruikbare hulpbron in kwantumtechnologieën, zoals kwantumfoutcorrectieschema's, vervolgens door ze te detecteren op basis van enkele zeldzame-aarde-ionen, krijg je toegang tot een breed scala aan materialen, die nu in aanmerking komen voor kwantumtoepassingen, "Zei Kornher. "Het brede scala aan nieuwe materialen is gebaseerd op de veelzijdige dotering van zeldzame-aarde-ionen in vaste-stofgastheren, dat is een goed bestudeerd veld dat voortbouwt op onderzoek naar laserfysica."

De recente studie uitgevoerd door dit team van onderzoekers verzamelde nieuwe belangrijke bevindingen die nieuwe mogelijkheden zouden kunnen openen voor de ontwikkeling van kwantumgeheugentoepassingen die gebruik maken van zeldzame-aarde-ionensystemen, die zijn gebaseerd op gekoppelde kernspins in de omgeving. In hun toekomstige werk, Kolesov, Kornher en hun collega's willen de initialisatie van kernspins onderzoeken die toegang tot kernspins mogelijk maken. Specifieker, ze zijn van plan om de individuele kernspins die in hun recente studie zijn gedetecteerd te manipuleren en kwantumlogica-poorten erop te implementeren.

"Een metafoor om de resultaten van ons onderzoek te verklaren, zou kunnen zijn dat we de zeer rustige toon van een mug (laat het zelfs een kwantummug zijn) konden horen in een straat met veel verkeer (draaibad), " zei Kolesov. "Tot nu toe, we kunnen het alleen horen, maar de volgende taak zou zijn om zijn vlucht te beheersen en het uiteindelijke doel om meerdere muggen tegelijk te bedwingen en ze te onderscheiden door hun enigszins verschillende stemmen."

© 2020 Wetenschap X Netwerk