In 1998, onderzoekers, waaronder Mark Kubinec van UC Berkeley, voerden een van de eerste eenvoudige kwantumberekeningen uit met individuele moleculen. Ze gebruikten pulsen van radiogolven om de spins van twee kernen in een molecuul om te draaien, waarbij de "omhoog" of "omlaag" oriëntatie van elke spin informatie opslaat op de manier waarop een "0" of "1" staat informatie opslaat in een klassieke databit. In die vroege dagen van kwantumcomputers, de gecombineerde oriëntatie van de twee kernen, dat wil zeggen de kwantumtoestand van het molecuul - kon alleen voor korte perioden worden bewaard in speciaal afgestemde omgevingen. Met andere woorden, het systeem verloor al snel zijn samenhang. Controle over kwantumcoherentie is de ontbrekende stap bij het bouwen van schaalbare kwantumcomputers.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers ontwikkelen nieuwe routes om kwantumcoherentie te creëren en te beschermen. Hierdoor zullen uiterst gevoelige meet- en informatieverwerkingsapparaten mogelijk worden die functioneren onder omgevings- of zelfs extreme omstandigheden. in 2018, Joël Moore, een senior faculteitswetenschapper aan het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en professor aan de UC Berkeley, heeft fondsen verkregen van het ministerie van Energie om een ​​Energy Frontier Research Center (EFRC) op te richten en te leiden – het Centre for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC) – om die inspanningen te bevorderen. "De EFRC's zijn een belangrijk hulpmiddel voor DOE om gerichte interinstitutionele samenwerkingen mogelijk te maken om snelle vooruitgang te boeken bij wetenschappelijke problemen op de voorgrond die buiten het bereik van individuele onderzoekers vallen, " zei Moor.

Via de NPQC, wetenschappers van Berkeley Lab, UC Berkeley, UC Santa Barbara, Argonne Nationaal Laboratorium, en Columbia University leiden de weg om coherentie in een verscheidenheid aan solid-state systemen te begrijpen en te manipuleren. Hun drievoudige aanpak is gericht op het ontwikkelen van nieuwe platforms voor kwantumdetectie; het ontwerpen van tweedimensionale materialen die complexe kwantumtoestanden herbergen; en het onderzoeken van manieren om de elektronische en magnetische eigenschappen van een materiaal nauwkeurig te regelen via kwantumprocessen. De oplossing voor deze problemen ligt binnen de materiaalwetenschappelijke gemeenschap. Het ontwikkelen van het vermogen om coherentie in realistische omgevingen te manipuleren, vereist een diepgaand begrip van materialen die een alternatieve kwantumbit (of "qubit") kunnen bieden, voelen, of optische technologieën.

Basisontdekkingen liggen ten grondslag aan verdere ontwikkelingen die zullen bijdragen aan andere DOE-investeringen in het Office of Science. Nu het programma zijn vierde jaar ingaat, verschillende doorbraken leggen de wetenschappelijke basis voor innovaties in de kwantuminformatiewetenschap.

meer gebreken, meer kansen

Veel van de prestaties van NPQC tot nu toe zijn gericht op kwantumplatforms die zijn gebaseerd op specifieke gebreken in de structuur van een materiaal, spindefecten genaamd. Een spindefect in de juiste kristalachtergrond kan perfecte kwantumcoherentie benaderen, terwijl het bezit van sterk verbeterde robuustheid en functionaliteit.

Deze onvolkomenheden kunnen worden gebruikt om zeer nauwkeurige detectieplatforms te maken. Elk spindefect reageert op uiterst subtiele fluctuaties in de omgeving; en coherente verzamelingen van defecten kunnen ongekende nauwkeurigheid en precisie bereiken. Maar begrijpen hoe coherentie evolueert in een systeem van vele spins, waar alle spins met elkaar in wisselwerking staan, is ontmoedigend. Om deze uitdaging aan te gaan, NPQC-onderzoekers wenden zich tot een algemeen materiaal dat ideaal blijkt te zijn voor kwantumdetectie:diamant.

In de natuur, elk koolstofatoom in de kristalstructuur van een diamant is verbonden met vier andere koolstofatomen. Wanneer een koolstofatoom wordt vervangen door een ander atoom of helemaal wordt weggelaten, die vaak voorkomt als de kristalstructuur van de diamant zich vormt, het resulterende defect kan zich soms gedragen als een atomair systeem met een goed gedefinieerde spin - een intrinsieke vorm van impulsmoment gedragen door elektronen of andere subatomaire deeltjes. Net als deze deeltjes, bepaalde defecten in diamant kunnen een oriëntatie hebben, of polarisatie, dat is ofwel 'spin-up' of 'spin-down'.

Door meerdere verschillende spindefecten in een diamantrooster te construeren, Norman Yao, een faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab en een assistent-professor natuurkunde aan UC Berkeley, en zijn collega's creëerden een 3D-systeem met spins verspreid over het volume. Binnen dat systeem is de onderzoekers ontwikkelden een manier om de "beweging" van spinpolarisatie op kleine lengteschalen te onderzoeken.

Door een combinatie van meettechnieken te gebruiken, de onderzoekers ontdekten dat spin in het kwantummechanische systeem op bijna dezelfde manier beweegt als kleurstof in een vloeistof. Leren van kleurstoffen is een succesvol pad gebleken om kwantumcoherentie te begrijpen, zoals onlangs gepubliceerd in het tijdschrift Nature. Niet alleen biedt het optredende gedrag van spin een krachtig klassiek raamwerk voor het begrijpen van kwantumdynamica, maar het multi-defectsysteem biedt een experimenteel platform om te onderzoeken hoe coherentie ook werkt. Moor, de NPQC-directeur en een lid van het team dat eerder andere soorten kwantumdynamica heeft bestudeerd, beschreef het NPQC-platform als "een uniek controleerbaar voorbeeld van de wisselwerking tussen wanorde, dipolaire interacties op lange afstand tussen spins, en kwantumcoherentie."

De coherentietijden van die spindefecten zijn sterk afhankelijk van hun directe omgeving. Veel NPQC-doorbraken waren gericht op het creëren en in kaart brengen van de spanningsgevoeligheid in de structuur rond individuele defecten in diamant en andere materialen. Door dit te doen, kan worden onthuld hoe defecten met de langst mogelijke coherentietijden in 3D- en 2D-materialen het beste kunnen worden geconstrueerd. Maar hoe kunnen de veranderingen die door krachten op het materiaal zelf worden opgelegd, precies correleren met veranderingen in de coherentie van het defect?

Er achter komen, NPQC-onderzoekers ontwikkelen een techniek om vervormde gebieden in een gastkristal te creëren en de spanning te meten. "Als je denkt aan atomen in een rooster in termen van een boxspring, je krijgt verschillende resultaten, afhankelijk van hoe je erop drukt, zei Martin Holt, groepsleider in elektronen- en röntgenmicroscopie bij Argonne National Laboratory en een hoofdonderzoeker bij NPQC. Met behulp van de geavanceerde fotonbron en het centrum voor materialen op nanoschaal, beide gebruikersfaciliteiten in het Argonne National Laboratory, hij en zijn collega's bieden een direct beeld van de vervormde gebieden in een gastkristal. Tot nu, de oriëntatie van een defect in een steekproef is meestal willekeurig. De afbeeldingen laten zien welke oriëntaties het meest gevoelig zijn, het bieden van een veelbelovende weg voor hogedrukkwantumdetectie.

"Het is echt mooi dat je zoiets als diamant kunt nemen en er bruikbaarheid aan kunt geven. Iets hebben dat eenvoudig genoeg is om de basisfysica te begrijpen, maar dat ook genoeg kan worden gemanipuleerd om complexe natuurkunde te doen, is geweldig, ' zei Holt.

Een ander doel van dit onderzoek is het vermogen om een ​​kwantumtoestand over te brengen, zoals die van een defect in diamant, coherent van het ene punt naar het andere met behulp van elektronen. Werk van NPQC-wetenschappers van Berkeley Lab en Argonne Lab bestudeert speciale kwantumdraden die voorkomen in atomair dunne lagen van sommige materialen. Supergeleiding werd onverwacht ontdekt in een dergelijk systeem, een driedubbele laag koolstofplaten, door de groep onder leiding van Feng Wang, een senior wetenschapper van de Berkeley Lab-faculteit en professor aan de UC Berkeley, en leider van NPQC's inspanningen in atomair dunne materialen. Van dit werk, gepubliceerd in Natuur in 2019, Wang zei, "Het feit dat dezelfde materialen zowel beschermde eendimensionale geleiding als supergeleiding kunnen bieden, opent enkele nieuwe mogelijkheden voor het beschermen en overbrengen van kwantumcoherentie."

Op weg naar nuttige apparaten

Multi-defectsystemen zijn niet alleen belangrijk als fundamentele wetenschappelijke kennis. Ze hebben ook het potentieel om transformatieve technologieën te worden. In nieuwe tweedimensionale materialen die de weg vrijmaken voor ultrasnelle elektronica en ultrastabiele sensoren, NPQC-onderzoekers onderzoeken hoe spindefecten kunnen worden gebruikt om de elektronische en magnetische eigenschappen van het materiaal te beheersen. Recente bevindingen hebben enkele verrassingen opgeleverd.

"Een fundamenteel begrip van magnetische materialen op nanoschaal en hun toepassingen in spintronica heeft al geleid tot een enorme transformatie in magnetische opslag- en sensorapparaten. Het benutten van kwantumcoherentie in magnetische materialen zou de volgende stap kunnen zijn in de richting van elektronica met een laag vermogen, " zei Peter Fischer, senior wetenschapper en divisieplaatsvervanger in de Materials Sciences Division van Berkeley Lab.

De magnetische eigenschappen van een materiaal zijn volledig afhankelijk van de uitlijning van spins in aangrenzende atomen. In tegenstelling tot de netjes uitgelijnde spins in een typische koelkastmagneet of de magneten die worden gebruikt in klassieke gegevensopslag, antiferromagneten hebben aangrenzende spins die in tegengestelde richtingen wijzen en elkaar effectief opheffen. Als resultaat, antiferromagneten "werken" niet magnetisch en zijn extreem robuust tegen externe storingen. Onderzoekers hebben lang gezocht naar manieren om ze te gebruiken in op spin gebaseerde elektronica, waar informatie wordt getransporteerd door spin in plaats van lading. De sleutel hiervoor is het vinden van een manier om de spinoriëntatie te manipuleren en de samenhang te behouden.

In 2019 NPQC-onderzoekers onder leiding van James Analytis, een faculteitswetenschapper bij Berkeley Lab en universitair hoofddocent natuurkunde aan UC Berkeley, met postdoc Eran Maniv, merkte op dat het toepassen van een kleine, een enkele puls van elektrische stroom naar kleine vlokken van een antiferromagneet zorgde ervoor dat de spins roteerden en hun oriëntatie "veranderden". Als resultaat, de eigenschappen van het materiaal konden extreem snel en nauwkeurig worden afgesteld. "Het begrijpen van de fysica hierachter vereist meer experimentele observaties en wat theoretische modellering, " zei Maniv. "Nieuwe materialen kunnen helpen onthullen hoe het werkt. Dit is het begin van een nieuw onderzoeksveld."

Nutsvoorzieningen, de onderzoekers werken aan het lokaliseren van het exacte mechanisme dat het schakelen in materialen aanstuurt die zijn gefabriceerd en gekarakteriseerd in de Molecular Foundry, een gebruikersfaciliteit bij Berkeley Lab. recente bevindingen, gepubliceerd in Science Advances and Nature Physics , suggereren dat het verfijnen van de defecten in een gelaagd materiaal een betrouwbaar middel zou kunnen zijn om het spinpatroon in nieuwe apparaatplatforms te beheersen. "Dit is een opmerkelijk voorbeeld van hoe het hebben van veel defecten ons in staat stelt een schakelbare magnetische structuur te stabiliseren, " zei Moor, de NPQC-leider.

Nieuwe draadjes spinnen

In het volgende jaar van werking, NPQC zal voortbouwen op de voortgang van dit jaar. Doelen zijn onder meer het onderzoeken van de interactie van meerdere defecten in tweedimensionale materialen en het onderzoeken van nieuwe soorten eendimensionale structuren die kunnen ontstaan. Deze lager-dimensionale structuren zouden zichzelf kunnen bewijzen als sensoren voor het detecteren van de kleinste schaaleigenschappen van andere materialen. Aanvullend, focussen op hoe elektrische stromen spin-afgeleide magnetische eigenschappen kunnen manipuleren, zal fundamentele wetenschap rechtstreeks verbinden met toegepaste technologieën.

Snelle vooruitgang in deze taken vereist de combinatie van technieken en expertise die alleen kan worden gecreëerd binnen een groot samenwerkingskader. "Capaciteiten ontwikkel je niet in isolement, "zei Holt. "De NPQC biedt de dynamische onderzoeksomgeving die de wetenschap aandrijft en benut wat elk laboratorium of elke faciliteit doet." Het onderzoekscentrum biedt ondertussen een unieke opleiding aan de grenzen van de wetenschap, inclusief kansen voor het ontwikkelen van het wetenschappelijk personeel de toekomstige kwantumindustrie.

De NPQC brengt een nieuwe reeks vragen en doelen voor de studie van de basisfysica van kwantummaterialen. Moor zei, "Kwantummechanica regelt het gedrag van elektronen in vaste stoffen, en dit gedrag is de basis voor veel van de moderne technologie die we als vanzelfsprekend beschouwen. Maar we staan ​​nu aan het begin van de tweede kwantumrevolutie, waar eigenschappen als coherentie centraal staan, en begrijpen hoe we deze eigenschappen kunnen verbeteren, opent een nieuwe reeks vragen over materialen die we moeten beantwoorden."