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Vaga de estanho (Sn-V) centros em diamante têm o potencial de funcionar como nós quânticos em redes quânticas para transmitir informações. No entanto, eles apresentam limitações ao mostrar propriedades ópticas para gerar emaranhamento quântico. Os pesquisadores da Tokyo Tech agora superaram esse desafio gerando Sn-V centros que podem produzir fótons com frequências e larguras de linha quase idênticas, abrindo caminho para o avanço do Sn-V centros como uma interface matéria quântica-luz.
O emaranhamento quântico refere-se a um fenômeno da mecânica quântica em que duas ou mais partículas se ligam de tal forma que o estado de cada partícula não pode ser descrito independentemente das outras, mesmo quando estão separadas por uma grande distância. O princípio, referido por Albert Einstein como “ação assustadora à distância”, agora é utilizado em redes quânticas para transferir informações. Os blocos de construção dessas redes – nós quânticos – podem gerar e medir estados quânticos.
Entre os candidatos que podem funcionar como nós quânticos, o Sn-V centro no diamante (um defeito onde um átomo de estanho (Sn) substitui um átomo de carbono, resultando em um átomo intersticial de Sn entre duas lacunas de carbono) demonstrou ter propriedades adequadas para aplicações de redes quânticas. O Sn-V espera-se que o centro exiba um longo tempo de coerência de spin na faixa de milissegundos em temperaturas Kelvin, permitindo que ele mantenha seu estado quântico por um período de tempo relativamente longo. No entanto, esses centros ainda não produziram fótons com características semelhantes, o que é um critério necessário para criar estados quânticos emaranhados remotos entre os nós da rede quântica.
Agora, em um estudo publicado na Revisão Física Aplicadapesquisadores liderados pelo professor associado Takayuki Iwasaki do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), Japão, observaram Sn-V centros com frequência de fótons e largura de linha idênticas, marcando uma nova fase no uso desses centros como nós quânticos.
“O controle da largura de linha e do comprimento de onda é um desafio em materiais de estado sólido. Isso é especialmente verdadeiro para Sn-V centros – que são compostos de átomos pesados - porque sua incorporação no diamante causa mais defeitos e maior tensão ao redor dos emissores”, diz o Dr. Iwasaki.
Os pesquisadores usaram uma combinação de implantação de íons e recozimento de alta pressão e alta temperatura (HPHT) para formar Sn-V centros em diamante. A implantação de íons foi usada para implantar íons Sn em substratos de diamante. Essas amostras foram então expostas a altas temperaturas de 2100 °C e altas pressões de 7,7 GPa em um aparelho do tipo cinto. Com este processo de duas etapas, os pesquisadores eliminaram os efeitos de defeitos de superfície e tensão nas propriedades ópticas do Sn-V centros e abordou problemas com defeitos normalmente enfrentados ao gerar o Sn-V centros.
“O tratamento de alta temperatura abordou com eficiência o dano da rede. Consequentemente, a tensão em torno dos emissores foi amplamente suprimida. Além disso, o Sn-V centros foram formados a uma profundidade de aproximadamente 3 micrômetros da superfície das amostras. Isso suprimiu o efeito da tensão e defeitos carregados na superfície, potencialmente alterando o nível de energia dos emissores”, diz o Dr. Iwasaki.
Ao digitalizar subsequentemente as diferentes áreas da amostra com um laser sintonizável de largura de linha estreita e analisar a luz emitida, a equipe observou múltiplos Sn-V centros com frequências de fótons e larguras de linha quase idênticas, marcando a formação bem-sucedida de Sn-V centros que eram adequados para uso como nós quânticos.
Dr. Iwasaki está otimista sobre as implicações futuras de seu trabalho. “A formação de Sn-V centros leva diretamente à observação de interferência de dois fótons entre emissores distantes e o futuro estabelecimento de Sn-V centra-se no diamante como uma interface de matéria de luz quântica”, diz ele.
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