Engenheiros moleculares registram o comportamento quântico de um elétron

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Estas imagens mostram um exemplo de diamante com uma lente hemisférica (imagens à esquerda), e a localização de um único spin de electrons/estado quântico visível através da emissão de luz (imagem na parte superior esquerda). A barra de escala na imagem no canto superior esquerdo de cinco microns, aproximadamente o diâmetro de um glóbulo vermelho do sangue. Crédito: Cortesia de Awschalom Lab / Universidade de Chicago.

Artigo traduzido de Phys.org.

Uma equipe de pesquisadores, liderados pela Universidade de Chicago, desenvolveu uma técnica para registrar o comportamento da mecânica quântica de um elétron individual contido dentro de um defeito em nanoescala em um diamante. A técnica deles usa pulsos ultra-rápidos de laser, para controlar todo estado quântico do defeito e observar como esse único estado do elétron muda ao longo do tempo. O artigo aparece na edição desta semana da revista Science Express on-line e será publicado na imprensa no final deste mês na revista Science.

Esta pesquisa contribui para a ciência emergente do processamento de informação quântica, o que exige que a ciência abandone o universo inequívoco da lógica binária tradicional – 0 ou 1 – e abrace o mundo quântico intuitivo, onde o comportamento é radicalmente diferente do que os seres humanos vivenciam todos os dias. Enquanto as pessoas geralmente estão contidas em um lugar ao mesmo tempo, os elétrons podem estar em vários lugares ao mesmo tempo.

A equipe investiga uma propriedade da mecânica quântica do elétron conhecida como spin. Assim como os computadores convencionais usam o estado de carga dos elétrons para constituir bits de informação, um computador quântico poderia usar o estado de spin de um único elétron como seu bit quântico, ou qubit. O trabalho pode acelerar o desenvolvimento de dispositivos de computação quântica e o poder da computação adicional que viria com eles, porque será mais fácil identificar materiais que têm propriedades quânticas apropriadas.

O sistema de spin estudado é conhecido como centro nitrogênio-vago (NV), um defeito de tamanho atômico que ocorre naturalmente em diamante, que consiste de um átomo de nitrogênio ao lado de um espaço vazio na rede cristalina. “Esses defeitos têm atraído grande interesse na última década, oferecendo um sistema de banco de teste para o desenvolvimento de bits quânticos semicondutores, bem como sensores em nanoescala”, disse o líder da equipe David Awschalom, professor de Engenharia Molecular da UChicago. “Aqui, nós fomos capazes de aproveitar a luz para controlar completamente o estado quântico do defeito a velocidades extremamente altas”.

Fotos Quânticas

Nesta nova técnica os investigadores localizaram um único centro NV e, em seguida, o iluminaram com um par de pulsos extremamente curtos de luz laser. Cada pulso dura menos de um picossegundo (ou um milionésimo de milionésimo de segundo). O primeiro pulso excita os estados quânticos do elétron ligado ao defeito, que, em seguida, altera ou evolui de forma característica. O segundo pulso para essa evolução, capturando uma imagem do estado quântico no tempo decorrido.

Cientistas da Universidade de Chicago e da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, usaram este aparelho óptico para direcionar pulsos ultra-rápidos de luz para manipular o estado quântico de um único spin do elétron em um diamante. Crédito: Cortesia de Christopher Yale e Joseph Heremans / Universidade de Chicago.
Cientistas da Universidade de Chicago e da Universidade da Califórnia, Santa Barbara, usaram este aparelho óptico para direcionar pulsos ultra-rápidos de luz para manipular o estado quântico de um único spin do elétron em um diamante. Crédito: Cortesia de Christopher Yale e Joseph Heremans / Universidade de Chicago.

Estendendo progressivamente o tempo decorrido entre os dois pulsos, a equipe cria uma sequência de fotos do estado quântico – um filme das mudanças de estado quântico nesse tempo. O tempo decorrido pode ser tão curto quanto femtosegundo (um bilionésimo de um milionésimo de segundo) ou tão longo quanto nanossegundo. Na escala humana, este intervalo de tempo é como a diferença entre uma hora e um século.

Ter esta vasta gama de escalas de tempo torna a técnica especialmente valiosa. O elétron é sensível e interage com o seu ambiente local complexo de muitas maneiras diferentes, cada um com uma escala de tempo característica. Ser capaz de testar uma grande variedade dessas escalas de tempo dá uma imagem muito mais completa da dinâmica do centro NV que foi obtida anteriormente.

“Nosso objetivo era empurrar os limites de controle quântico nestes sistemas de defeitos notáveis​​”, explicou Lee Bassett, co-autor principal do artigo e professor assistente de engenharia elétrica e sistemas da Universidade da Pensilvânia, “mas a técnica também fornece uma nova ferramenta de medição emocionante. Ao usar pulsos de luz para dirigir a dinâmica quântica do defeito em escalas de tempo super-curtos, podemos extrair uma riqueza de informações sobre o defeito e seu ambiente”.

“É uma técnica bastante versátil, proporcionando uma visão completa do estado excitado do defeito quântico”, disse F. Joseph Heremans, um estudante de pós-doutorado na UChicago e outro co-autor principal do artigo. “Os trabalhos anteriores no centro de nitrogênio-vago insinuou alguns desses processos, mas aqui, simplesmente através da aplicação desses pulsos ultra-rápidos, temos uma compreensão muito mais rica dessa fera quântica.”

Controle do Spin

Não é apenas uma questão de observação, no entanto. “Essa técnica também fornece um meio de controle do estado do spin – um precursor importante para qualquer sistema de informação quântica”, disse Evelyn Hu, professora de física aplicada e engenharia elétrica na Universidade de Harvard, que não está ligada ao artigo.

Além disso, o método não é limitado a investigar este defeito específico. Pode ser aplicado a estados quânticos da matéria em uma série de materiais e tecnologias, incluindo muitos materiais semicondutores. “Você só tem que ser capaz de usar a luz para transferir um elétron entre um estado fundamental e um estado excitado”, disse Awschalom.

O professor Guido Burkard, físico teórico da Universidade de Konstanz e um co-autor do artigo, comentou: “Esta técnica oferece um caminho para compreender e controlar novos materiais no nível atômico”.

Hu concorda que a técnica abre muitos novos caminhos. “Cada novo sistema trará novos desafios para a compreensão dos níveis de energia, meio ambiente local e outras propriedades, mas a abordagem geral deve proporcionar um enorme avanço para a área”, disse Hu.

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