Naast lading dragen subatomaire deeltjes zoals elektronen ook een eigenschap genaamd spin, die verantwoordelijk is voor magnetisme. Nieuwe voorstellen om spin te gebruiken om informatie op te slaan zijn de afgelopen jaren naar voren gekomen met de belofte om energiezuiniger te zijn en nieuwe functionaliteiten te brengen voor communicatie- en detectieapparatuur. Voor zijn Ph.D. onderzoek bestudeerde Adonai Rodrigues Da Cruz de spindynamiek in meer detail met behulp van theorie en numerieke simulaties. Op 3 mei verdedigde hij zijn proefschrift bij de faculteit Technische Natuurkunde.

Spindefecten

Het vermogen om afzonderlijke kwantumtoestanden te beheersen is cruciaal voor de ontwikkeling van nieuwe kwantumtechnologieën voor toekomstige communicatie-, detectie- en informatieverwerkingsapparatuur. In de afgelopen jaren zijn een aantal nieuwe manieren voorgesteld om elektronenspin te gebruiken om digitale informatie op te slaan in dergelijke kwantumtechnologieën.

Het gebruik van defecten in halfgeleidermaterialen die spin dragen (zogenaamde spindefecten) is gepromoot als materialen om kwantumbits te creëren - het belangrijkste onderdeel van elke kwantumtechnologie.

Sensoren op basis van spindefecten, zoals het stikstof-vacature (NV) centrum in diamant, zijn al commercieel beschikbaar en hebben zich ontpopt als de meest opwindende nieuwe technologie voor magnetische metingen op nanoschaal. Door de spintoestand van dit kristaldefect te controleren en te onderzoeken, hebben onderzoekers extreem kleine magnetische velden kunnen meten en zo de eigenschappen van nieuwe materialen in meer detail kunnen bestuderen.

Orbitale effecten begrijpen

Tot nu toe hebben zowel experimentele als theoretische studies naar enkelvoudige defecten in halfgeleiders zich meer gericht op het spingedeelte en grotendeels de orbitale bijdrage aan de lokale eigenschappen rond de defecten verwaarloosd.

Voor zijn Ph.D. onderzoek, zocht Adonai Rodrigues Da Cruz een beter begrip van de orbitale effecten. Dit inzicht werd verschaft door de ontwikkeling van theoretische formalismen om circulatiestromen in verschillende materialen te beschrijven. Met behulp van numerieke simulaties en analytische uitdrukkingen voor de voortplanting van elektronen in tweedimensionale halfgeleiders voorspelde hij nauwkeurig hoe nanostromen zich verdelen over de omgeving.

Fringe magnetische velden kunnen worden gegenereerd door de circulerende stromen rond enkele spindefecten die zich in de halfgeleiders bevinden. Een van de belangrijkste bevindingen van het onderzoek van Da Cruz is dat zowel de grootte als de ruimtelijke dimensies van het magnetische randveld binnen het gewenste gevoeligheidsbereik van de huidige op NV gebaseerde sondes liggen. Daarom zou een scannende NV-sensor kunnen worden gebruikt als een directe sonde van het interne orbitale magnetisme geassocieerd met enkele defecten.

Het werk van Da Cruz suggereert ook dat de ruimtelijke kenmerken van de stromen sterk kunnen worden afgestemd door externe poorten, waardoor de mogelijkheid wordt geopend om korte afstand spinkoppelingen elektrisch te besturen, wat essentieel is voor de kwantumverstrengelingspoort, een belangrijke operatie in kwantumcomputers. + Verder verkennen

Tweedimensionaal materiaal kan kwantuminformatie opslaan bij kamertemperatuur