Wetenschap
Wetenschappers demonstreren het potentieel van elektronenspin om kwantuminformatie over te dragen
De spin van het elektron is de perfecte kwantumbit van de natuur, die in staat is het bereik van de informatieopslag uit te breiden tot voorbij ‘één’ of ‘nul’. Het benutten van de spinvrijheidsgraad van het elektron (mogelijke spintoestanden) is een centraal doel van de kwantuminformatiewetenschap.
Recente vooruitgang van onderzoekers Joseph Orenstein, Yue Sun, Jie Yao en Fanghao Meng van het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) heeft het potentieel aangetoond van magnongolfpakketten – collectieve excitaties van elektronenspin – om kwantuminformatie over aanzienlijke afstanden te transporteren in een klasse van materialen die bekend staan als antiferromagneten.
Hun werk zet het conventionele begrip over hoe dergelijke excitaties zich voortplanten in antiferromagneten op zijn kop. Het komende tijdperk van kwantumtechnologieën (computers, sensoren en andere apparaten) hangt af van het betrouwbaar overbrengen van kwantuminformatie over afstand.
Met hun ontdekking, gerapporteerd in een artikel gepubliceerd in Nature Physics , Orenstein en collega's hopen een stap dichter bij deze doelen te zijn gekomen. Hun onderzoek maakt deel uit van bredere inspanningen bij Berkeley Lab om kwantuminformatie te bevorderen door te werken in het kwantumonderzoeksecosysteem, van theorie tot toepassing, om kwantumgebaseerde apparaten te fabriceren en te testen en software en algoritmen te ontwikkelen.
Elektronenspins zijn verantwoordelijk voor magnetisme in materialen en kunnen worden gezien als kleine staafmagneten. Wanneer aangrenzende spins in afwisselende richtingen zijn georiënteerd, is het resultaat een antiferromagnetische orde en produceert de opstelling geen netto magnetisatie.
Om te begrijpen hoe magnongolfpakketten door antiferromagnetisch materiaal bewegen, gebruikte de groep van Orenstein laserpulsen om de antiferromagnetische orde op de ene plaats te verstoren terwijl ze op een andere plaats peilden, wat momentopnamen van hun voortplanting opleverde. Uit deze beelden bleek dat magnongolfpakketten zich in alle richtingen voortplanten, zoals rimpelingen op een vijver van een vallende kiezelsteen.
Het Berkeley Lab-team toonde ook aan dat magnongolfpakketten in de antiferromagneet CrSBr (chroomsulfidebromide) zich sneller en over langere afstanden voortplanten dan de bestaande modellen zouden voorspellen. De modellen gaan ervan uit dat elke elektronenspin alleen met zijn buren koppelt. Een analogie is een systeem van bollen die door bronnen met naaste buren zijn verbonden; het verplaatsen van één bol vanuit zijn voorkeurspositie veroorzaakt een verplaatsingsgolf die zich in de loop van de tijd verspreidt.
Verrassend genoeg voorspellen dergelijke interacties een voortplantingssnelheid die ordes van grootte langzamer is dan het team daadwerkelijk heeft waargenomen.
"Bedenk echter dat elk draaiend elektron als een kleine staafmagneet is. Als we ons voorstellen dat we de bollen vervangen door kleine staafmagneten die de draaiende elektronen vertegenwoordigen, verandert het beeld compleet," zei Orenstein. "Nu, in plaats van lokale interacties, koppelt elke staafmagneet aan elke andere in het hele systeem via dezelfde langeafstandsinteractie die een koelkastmagneet naar de koelkastdeur trekt."