Elektronen zijn erg overgeleverd aan magnetische velden, die wetenschappers kunnen manipuleren om de elektronen en hun impulsmoment te regelen, d.w.z. hun "draai".

Een Cornell-team onder leiding van Greg Fuchs, assistent-professor toegepaste en technische fysica aan het College of Engineering, in 2013 een nieuwe manier uitgevonden om deze controle uit te oefenen door gebruik te maken van akoestische golven die worden gegenereerd door mechanische resonatoren. Die aanpak stelde het team in staat om elektron-spinovergangen (ook bekend als spinresonantie) te beheersen die anders niet mogelijk zouden zijn door conventioneel magnetisch gedrag.

De bevinding was een zegen voor iedereen die op zoek was naar het bouwen van kwantumsensoren van het soort dat wordt gebruikt in mobiele navigatieapparaten. Echter, dergelijke apparaten hadden nog steeds een magnetisch regelveld nodig - en dus een omvangrijke magnetische antenne - om bepaalde spinovergangen aan te drijven.

Nutsvoorzieningen, De groep van Fuchs heeft aangetoond dat deze overgangen uitsluitend door akoestiek kunnen worden aangestuurd. Dit elimineert de noodzaak voor de magnetische antenne, ingenieurs in staat stellen om kleinere, meer energie-efficiënte akoestische sensoren die strakker op een enkel apparaat kunnen worden verpakt.

De krant van het team, "Akoestisch aansturen van de Single Quantum Spin Transition van Diamond Stikstof-Leegstand Centra, " gepubliceerd op 27 mei in Fysieke beoordeling toegepast .

"Je kunt een magnetisch veld gebruiken om deze spinovergangen aan te drijven, maar een magnetisch veld is eigenlijk een zeer uitgebreid, groot voorwerp, " zei Fuchs. "In tegenstelling, akoestische golven kunnen zeer beperkt zijn. Dus als je erover nadenkt om verschillende regio's van spins in je chip te controleren, lokaal en zelfstandig, dan is het een verstandige aanpak om het met akoestische golven te doen."

Om de elektron-spinovergangen aan te drijven, Fuchs en Huiyao Chen '20, hoofdauteur van de krant, gebruikte stikstof-leegstand (NV) centra, die defecten zijn in het kristalrooster van een diamant. De akoestische resonatoren zijn micro-elektromechanische systemen (MEMS) apparaten die zijn uitgerust met een transducer. Wanneer er spanning wordt aangelegd, het apparaat trilt, het sturen van akoestische golven van 2 tot 3 gigahertz in het kristal. Deze frequenties veroorzaken spanning en spanning in het defect, wat resulteert in de elektronenspinresonantie.

Een complicatie:dit proces wekt ook het magnetische veld op, dus de onderzoekers zijn nooit helemaal zeker geweest van het effect van de mechanische trillingen versus het effect van de magnetische trillingen. Dus Fuchs en Chen begonnen nauwgezet de koppeling tussen de akoestische golven en de spinovergang te meten, en vergelijk het met de berekeningen voorgesteld door theoretische fysici.

"We hebben het magnetische deel en het akoestische deel afzonderlijk kunnen vaststellen, en daarmee die onbekende coëfficiënt te meten die bepaalt hoe sterk de enkele kwantumovergang koppelt aan akoestische golven, " zei Fuchs. "Het antwoord was:tot onze verbazing en vreugde, dat het een orde van grootte groter is dan voorspeld. Dat betekent dat je inderdaad volledig akoestische spinresonantie-apparaten kunt ontwerpen die uitstekende magnetische veldsensoren zouden zijn, bijvoorbeeld, maar je hebt geen magnetisch controleveld nodig om ze te laten werken."

Fuchs werkt samen met Cornell's Center for Technology Licensing om de ontdekking te patenteren, die belangrijke toepassingen kunnen hebben in de navigatietechnologie.

"Er wordt in het hele land een aanzienlijke inspanning geleverd om zeer stabiele magnetische veldsensoren te maken met diamanten NV-centra, "Zei Fuchs. "Mensen bouwen deze apparaten al op basis van conventionele magnetische resonantie met behulp van magnetische antennes. Ik denk dat onze ontdekking een enorm voordeel zal hebben in termen van hoe compact je het kunt maken en de mogelijkheid om onafhankelijke sensoren te maken die dicht bij elkaar staan."