Rilevamento e controllo della densità di spin microscopica nei materiali

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I dispositivi elettronici in genere utilizzano la carica degli elettroni, ma lo spin, il loro altro grado di libertà, sta iniziando a essere sfruttato. I difetti di spin rendono i materiali cristallini molto utili per dispositivi quantistici come sensori quantistici ultrasensibili, dispositivi di memoria quantistica o sistemi per simulare la fisica degli effetti quantistici. Variare la densità di spin nei semiconduttori può portare a nuove proprietà in un materiale – qualcosa che i ricercatori desideravano da tempo esplorare – ma questa densità è solitamente fugace e sfuggente, quindi difficile da misurare e controllare localmente.

Ora, un team di ricercatori del MIT e altrove ha trovato un modo per regolare la densità di rotazione del diamante, modificandola di un fattore due, applicando un raggio laser o microonde esterno. La scoperta, riportata questa settimana sulla rivista PNAS, potrebbe aprire molte nuove possibilità per dispositivi quantistici avanzati, affermano gli autori. Il documento nasce da una collaborazione tra attuali ed ex studenti dei professori Paola Cappellaro e Ju Li al MIT e collaboratori del Politecnico di Milano. Il primo autore dell'articolo, Guoqing Wang PhD '23, ha lavorato alla sua tesi di dottorato nel laboratorio di Cappellaro ed è ora postdoc al MIT.

Un tipo specifico di difetto di spin noto come centro di posti vacanti di azoto (NV) nel diamante è uno dei sistemi più studiati per il suo potenziale utilizzo in un’ampia varietà di applicazioni quantistiche. Lo spin dei centri NV è sensibile a qualsiasi disturbo fisico, elettrico o ottico, rendendoli rilevatori potenzialmente altamente sensibili. "I difetti di spin allo stato solido sono una delle piattaforme quantistiche più promettenti", afferma Wang, in parte perché possono funzionare in condizioni di temperatura ambiente. Molti altri sistemi quantistici richiedono ambienti ultrafreddi o altri ambienti specializzati.

"Le capacità di rilevamento su scala nanometrica dei centri NV li rendono promettenti per sondare la dinamica nel loro ambiente di rotazione, manifestando una ricca fisica quantistica di molti corpi ancora da comprendere", aggiunge Wang. “Un importante difetto di spin nell’ambiente, chiamato centro P1, può solitamente essere da 10 a 100 volte più popolato del centro NV e quindi può avere interazioni più forti, rendendolo ideale per lo studio della fisica a molti corpi”.

Ma per mettere a punto le loro interazioni, gli scienziati devono essere in grado di modificare la densità di spin, cosa che in precedenza era stata raramente raggiunta. Con questo nuovo approccio, afferma Wang, “possiamo regolare la densità di rotazione in modo che fornisca una potenziale manopola per mettere a punto effettivamente un tale sistema. Questa è la novità fondamentale del nostro lavoro”.

Un sistema così sintonizzabile potrebbe fornire modi più flessibili per studiare l’idrodinamica quantistica, dice Wang. Più immediatamente, il nuovo processo può essere applicato ad alcuni dispositivi di rilevamento quantistico su scala nanometrica esistenti come un modo per migliorarne la sensibilità.

Li, che ricopre un incarico congiunto nei dipartimenti di Scienza e Ingegneria Nucleare e di Scienza e Ingegneria dei Materiali del MIT, spiega che i computer e i sistemi di elaborazione delle informazioni di oggi sono tutti basati sul controllo e sul rilevamento delle cariche elettriche, ma alcuni dispositivi innovativi stanno cominciando a fare uso della proprietà chiamata spin. L’azienda di semiconduttori Intel, ad esempio, ha sperimentato nuovi tipi di transistor che accoppiano spin e carica, aprendo potenzialmente la strada a dispositivi basati sulla spintronica.

"I transistor CMOS tradizionali consumano molta energia", afferma Li, "ma se si utilizza lo spin, come in questo progetto Intel, è possibile ridurre notevolmente il consumo energetico". L'azienda ha anche sviluppato dispositivi spin qubit a stato solido per il calcolo quantistico e "lo spin è qualcosa che le persone vogliono controllare nei solidi perché è più efficiente dal punto di vista energetico ed è anche un vettore di informazioni quantistiche".