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Dispositivos eletrônicos normalmente usam a carga de elétrons, mas o spin – seu outro grau de liberdade – está começando a ser explorado. Os defeitos de rotação tornam os materiais cristalinos altamente úteis para dispositivos baseados em quantum, como sensores quânticos ultrassensíveis, dispositivos de memória quântica ou sistemas para simular a física de efeitos quânticos. Variar a densidade de spin em semicondutores pode levar a novas propriedades em um material – algo que os pesquisadores há muito desejam explorar – mas essa densidade é geralmente fugaz e elusiva, portanto, difícil de medir e controlar localmente.
Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e de outros lugares encontrou uma maneira de ajustar a densidade de rotação do diamante, alterando-a por um fator de dois, aplicando um laser externo ou feixe de micro-ondas. A descoberta, relatada esta semana na revista PNAS, poderia abrir muitas novas possibilidades para dispositivos quânticos avançados, dizem os autores. O artigo é uma colaboração entre alunos e ex-alunos dos professores Paola Cappellaro e Ju Li do MIT e colaboradores do Politecnico de Milão. O primeiro autor do artigo, Guoqing Wang PhD ’23, trabalhou em sua tese de doutorado no laboratório de Cappellaro e agora é pós-doutorando no MIT.
Um tipo específico de defeito de spin conhecido como centro de vacância de nitrogênio (NV) no diamante é um dos sistemas mais amplamente estudados para seu uso potencial em uma ampla variedade de aplicações quânticas. A rotação dos centros NV é sensível a qualquer distúrbio físico, elétrico ou óptico, tornando-os detectores potencialmente altamente sensíveis. “Defeitos de rotação de estado sólido são uma das plataformas quânticas mais promissoras”, diz Wang, em parte porque podem funcionar em condições de temperatura ambiente. Muitos outros sistemas quânticos requerem ultracold ou outros ambientes especializados.
“As capacidades de detecção em nanoescala dos centros NV os tornam promissores para sondar a dinâmica em seu ambiente de rotação, manifestando uma rica física quântica de muitos corpos ainda a ser compreendida”, acrescenta Wang. “Um grande defeito de rotação no ambiente, chamado centro P1, geralmente pode ser 10 a 100 vezes mais populoso que o centro NV e, portanto, pode ter interações mais fortes, tornando-os ideais para o estudo da física de muitos corpos”.
Mas, para ajustar suas interações, os cientistas precisam ser capazes de alterar a densidade do spin, algo que raramente havia sido alcançado anteriormente. Com essa nova abordagem, Wang diz: “Podemos ajustar a densidade de rotação para que ela forneça um botão potencial para realmente ajustar esse sistema. Essa é a principal novidade do nosso trabalho”.
Tal sistema ajustável poderia fornecer formas mais flexíveis de estudar a hidrodinâmica quântica, diz Wang. Mais imediatamente, o novo processo pode ser aplicado a alguns dispositivos de detecção quântica em nanoescala existentes como uma forma de melhorar sua sensibilidade.
Li, que ocupa um cargo conjunto nos departamentos de Ciência e Engenharia Nuclear e Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, explica que os computadores e sistemas de processamento de informações de hoje são todos baseados no controle e detecção de cargas elétricas, mas alguns dispositivos inovadores estão começando a fazer uso da propriedade chamada spin. A empresa de semicondutores Intel, por exemplo, vem experimentando novos tipos de transistores que acoplam rotação e carga, potencialmente abrindo caminho para dispositivos baseados em spintrônica.
“Os transistores CMOS tradicionais usam muita energia”, diz Li, “mas se você usar spin, como neste projeto da Intel, poderá reduzir muito o consumo de energia”. A empresa também desenvolveu dispositivos de spin qubit de estado sólido para computação quântica, e “spin é algo que as pessoas querem controlar em sólidos porque é mais eficiente em termos de energia e também é um portador de informação quântica”.
No estudo de Li e seus colegas, o recém-conquistado nível de controle sobre a densidade de spin permite que cada centro NV atue como uma espécie de “radar” em escala atômica que pode detectar e controlar os spins próximos. “Basicamente, usamos um defeito NV específico para detectar os spins eletrônicos e nucleares ao redor. Este sensor quântico revela o ambiente de spin próximo e como isso é afetado dinamicamente pelo fluxo de carga, que neste caso é bombeado pelo laser”, diz Li.
Este sistema torna possível alterar dinamicamente a concentração de spin por um fator de dois, diz ele. Isso poderia levar a dispositivos em que um único defeito pontual ou um único átomo poderia ser a unidade computacional básica. “A longo prazo, um defeito de ponto único e o giro localizado e a carga localizada nesse defeito de ponto único podem ser uma lógica de computação. Pode ser um qubit, pode ser uma memória, pode ser um sensor.” ele diz.
Ele acrescenta que ainda há muito trabalho para desenvolver esse fenômeno recém-descoberto. “Ainda não chegamos exatamente lá”, diz ele, mas o que eles demonstraram até agora mostra que eles “realmente reduziram a medição e o controle do estado de rotação e carga de defeitos pontuais a um nível sem precedentes. Portanto, no longo prazo, acho que isso apoiaria o uso de defeitos individuais, ou um pequeno número de defeitos, para se tornarem os dispositivos de detecção e processamento de informações.”
Neste trabalho até agora, Wang diz, “encontramos esse fenômeno e o demonstramos”, mas é necessário mais trabalho para entender completamente o mecanismo físico do que está ocorrendo nesses sistemas. “Nosso próximo passo é aprofundar a física, então gostaríamos de saber melhor qual é o mecanismo físico subjacente” por trás dos efeitos que eles veem. A longo prazo, “com uma melhor compreensão desses sistemas, esperamos explorar mais ideias de simulação e detecção quântica, como simular hidrodinâmica quântica interessante e até mesmo transportar informações quânticas entre diferentes defeitos de rotação”.
As descobertas foram possíveis, em parte, pelo desenvolvimento da equipe de uma nova configuração de imagem de campo amplo que permite medir vários locais espaciais diferentes dentro do material cristalino simultaneamente, usando um rápido detector de fóton único, combinado com um microscópio. “Somos capazes de visualizar espacialmente a distribuição de densidade em diferentes espécies de spin, como uma impressão digital, e a dinâmica de transporte de carga”, embora esse trabalho ainda seja preliminar, diz Wang.
Embora seu trabalho tenha sido feito usando diamante cultivado em laboratório, os princípios podem ser aplicados a outros defeitos cristalinos de estado sólido, diz ele. Centros NV em diamantes têm sido atraentes para pesquisa porque podem ser usados em temperatura ambiente e já foram bem estudados. Mas os centros de vacância de silício, doadores em silício, íons de terras raras em sólidos e outros materiais cristalinos podem ter propriedades diferentes que podem se tornar úteis para tipos específicos de aplicações.
“À medida que a ciência da informação progride, eventualmente as pessoas serão capazes de controlar as posições e a carga de átomos e defeitos individuais. Essa é a visão de longo prazo”, diz Li. “Se você pode ter cada átomo armazenando informações diferentes, é uma capacidade de armazenamento e processamento de informações muito maior” em comparação com os sistemas existentes, onde até mesmo um único bit é armazenado por um domínio magnético de muitos átomos. “Você pode dizer que é o limite final da Lei de Moore: eventualmente diminuindo para um defeito ou um átomo”.
Embora algumas aplicações possam exigir muito mais pesquisas para serem desenvolvidas em um nível prático, para alguns tipos de sistemas de detecção quântica, os novos insights podem ser rapidamente traduzidos para usos no mundo real, diz Wang. “Podemos melhorar imediatamente o desempenho dos sensores quânticos com base em nossos resultados”, diz ele.
“No geral, esse resultado é muito empolgante para o campo de defeitos de spin no estado sólido”, diz Chong Zu, professor assistente de física na Universidade de Washington em St. Louis, especializado em informação quântica, mas não envolvido neste trabalho. Em particular, ele apresenta uma abordagem poderosa de uso da dinâmica de ionização de carga para ajustar continuamente a densidade local de defeitos de spin, o que é importante no contexto de aplicações de centros NV para simulação e detecção quântica.”
A equipe de pesquisa incluiu Changhao Li, Hao Tang, Boning Li, Francesca Madonini, Faisal Alsallom e Won Kyu Calvin Sun, todos do MIT; Pai Peng na Universidade de Princeton; e Federica Villa no Politecnico de Milano, na Itália. O trabalho foi parcialmente financiado pela Agência de Projetos de Pesquisa Avançada de Defesa dos EUA.
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