Kunstenaar se illustrasie van hidrodinamiese gedrag van 'n interaksie ensemble van kwantumspindefekte in diamant. Krediet: Norman Yao/Berkeley Lab
Berkeley Lab-geleide navorsingssleutel tot die volgende generasie kwantumrekenaars en tegnologieë.
In 1998 het navorsers, insluitend Mark Kubinec van UC Berkeley, een van die eerste eenvoudige kwantumberekeninge uitgevoer met behulp van individuele molekules. Hulle het pulse van radiogolwe gebruik om die tollings van twee kerne in 'n molekule om te draai, met elke spin se "op" of "af" oriëntasie wat inligting stoor op die manier waarop 'n "0" of "1" toestand inligting in 'n klassieke databis stoor . In daardie vroeë dae van kwantumrekenaars kon die gekombineerde oriëntasie van die twee kerne – dit wil sê die molekule se kwantumtoestand – net vir kort tydperke in spesiaal-ingestelde omgewings bewaar word. Met ander woorde, die stelsel het vinnig sy samehang verloor. Beheer oor kwantumkoherensie is die ontbrekende stap om skaalbare kwantumrekenaars te bou.
Nou ontwikkel navorsers nuwe paaie om kwantumkoherensie te skep en te beskerm. Deur dit te doen, sal uiters sensitiewe meet- en inligtingverwerkingstoestelle moontlik gemaak word wat by omgewings- of selfs uiterste toestande funksioneer. In 2018 het Joel Moore, 'n senior fakulteitswetenskaplike by Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) en professor by UC Berkeley, fondse van die Departement van Energie verkry om 'n Energy Frontier Research Centre (EFRC) te skep en te lei - genaamd die Centre for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC) – om daardie pogings te bevorder. "Die EFRC's is 'n belangrike hulpmiddel vir DOE om gefokusde inter-institusionele samewerking moontlik te maak om vinnige vordering te maak met voorpunt wetenskapprobleme wat buite die bestek van individuele ondersoekers is," het Moore gesê.
Deur die NPQC, wetenskaplikes van Berkeley Lab, UC Berkeley, UC Santa Barbara, Argonne National Laboratory, en Columbia Universiteit lei die weg om samehang in 'n verskeidenheid vastetoestandstelsels te verstaan en te manipuleer. Hulle drieledige benadering fokus op die ontwikkeling van nuwe platforms vir kwantumwaarneming; ontwerp van tweedimensionele materiale wat komplekse kwantumtoestande huisves; en maniere te ondersoek om 'n materiaal se elektroniese en magnetiese eienskappe presies te beheer deur middel van kwantumprosesse. Die oplossing vir hierdie probleme lê binne die materiaalwetenskapgemeenskap. Die ontwikkeling van die vermoë om koherensie in realistiese omgewings te manipuleer vereis 'n diepgaande begrip van materiale wat alternatiewe kwantumbis (of "qubit"), waarneming of optiese tegnologie kan verskaf.
Basiese ontdekkings onderlê verdere ontwikkelings wat sal bydra tot ander DOE-beleggings regoor die Kantoor van Wetenskap. Soos die program sy vierde jaar betree, lê verskeie deurbrake die wetenskaplike grondslag vir innovasies in kwantuminligtingwetenskap.
Meer gebreke, meer geleenthede
Baie van NPQC se prestasies tot dusver fokus op kwantumplatforms wat gebaseer is op spesifieke foute in 'n materiaal se struktuur wat spindefekte genoem word. ’n Spindefek in die regte kristalagtergrond kan perfekte kwantumkoherensie benader, terwyl dit sterk verbeterde robuustheid en funksionaliteit besit.
Hierdie onvolmaakthede kan gebruik word om hoë-presisie waarnemingsplatforms te maak. Elke spindefek reageer op uiters subtiele skommelinge in die omgewing; en samehangende versamelings van defekte kan ongekende bereik akkuraatheid en presisie. Maar om te verstaan hoe samehang in 'n stelsel van baie draaie ontwikkel, waar al die draaie met mekaar in wisselwerking is, is skrikwekkend. Om hierdie uitdaging die hoof te bied, wend NPQC-navorsers na 'n algemene materiaal wat ideaal blyk te wees vir kwantumwaarneming: diamant.
Tydens diamantvorming skep die vervanging van 'n koolstofatoom (groen) met 'n stikstofatoom (geel, N) en die weglating van 'n ander om 'n vakature (pers, V) te laat 'n algemene defek wat goed gedefinieerde spin-eienskappe het. Krediet: NIST
In die natuur, elke koolstof atoom in 'n diamant se kristalstruktuur verbind met vier ander koolstofatome. Wanneer een koolstofatoom deur 'n ander atoom vervang word of heeltemal weggelaat word, wat algemeen voorkom as die diamant se kristalstruktuur vorm, kan die gevolglike defek soms optree soos 'n atoomstelsel wat 'n goed gedefinieerde spin het - 'n intrinsieke vorm van hoekmomentum wat gedra word deur elektrone of ander subatomiese deeltjies. Net soos hierdie deeltjies, kan sekere defekte in diamant 'n oriëntasie of polarisasie hê, wat óf "opspin" of "afspin" is.
Deur verskeie verskillende spindefekte in 'n diamantrooster te ontwerp, het Norman Yao, 'n fakulteitswetenskaplike by Berkeley Lab en 'n assistent-professor in fisika aan UC Berkeley, en sy kollegas 'n 3D-stelsel geskep met spins wat deur die volume versprei is. Binne daardie stelsel het die navorsers 'n manier ontwikkel om die "beweging" van spinpolarisasie op klein lengteskale te ondersoek.
Skematiese uitbeelding van 'n sentrale sak van oortollige spin (turkoois skakering) in 'n diamantkubus, wat dan baie soos kleurstof in 'n vloeistof versprei het. Krediet: Berkeley Lab
Deur 'n kombinasie van meettegnieke te gebruik, het die navorsers gevind dat spin in die kwantummeganiese stelsel rondbeweeg op amper dieselfde manier as wat kleurstof in 'n vloeistof beweeg. Om van kleurstowwe te leer het geblyk 'n suksesvolle pad te wees om kwantumkoherensie te verstaan, soos onlangs in die joernaal gepubliseer Aard. Nie net bied die opkomende gedrag van spin 'n kragtige klassieke raamwerk om kwantumdinamika te verstaan nie, maar die multi-defekstelsel bied 'n eksperimentele platform om ook te ondersoek hoe koherensie werk. Moore, die NPQC-direkteur en 'n lid van die span wat voorheen ander soorte kwantumdinamika bestudeer het, het die NPQC-platform beskryf as "'n uniek beheerbare voorbeeld van die wisselwerking tussen wanorde, langafstand-dipolêre interaksies tussen spins en kwantumkoherensie."
Dié spindefekte se samehangstye hang baie af van hul onmiddellike omgewing. Baie NPQC-deurbrake het gesentreer op die skep en kartering van die spanningsensitiwiteit in die struktuur rondom individuele defekte in diamant en ander materiale. Deur dit te doen, kan dit onthul hoe om defekte wat die langste moontlike samehangstye in 3D- en 2D-materiale het, die beste te ontwerp. Maar presies hoe kan die veranderinge wat deur kragte op die materiaal self opgelê word, korreleer met veranderinge in die defek se samehang?
Om uit te vind, ontwikkel NPQC-navorsers 'n tegniek om vervormde areas in 'n gasheerkristal te skep en die spanning te meet. "As jy dink aan atome in 'n rooster in terme van 'n bokveer, kry jy verskillende resultate, afhangende van hoe jy op hulle druk," sê Martin Holt, groepleier in elektron- en X-straalmikroskopie by Argonne Nasionale Laboratorium en 'n hoofondersoeker met NPQC. Deur gebruik te maak van die Gevorderde Fotonbron en Sentrum vir Nanoskaalmateriale, beide gebruikersfasiliteite by Argonne Nasionale Laboratorium, bied hy en sy kollegas 'n direkte beeld van die vervormde areas in 'n gasheerkristal. Tot nou toe was 'n defek se oriëntasie in 'n steekproef meestal lukraak. Die beelde onthul watter oriëntasies die sensitiefste is, wat 'n belowende weg bied vir hoëdruk-kwantumwaarneming.
Wetenskaplikes by Berkeley Lab en UC Berkeley het onverwags supergeleiding ontdek in 'n driedubbele laag koolstofplate. Krediet: Feng Wang en Guorui Chen/Berkeley Lab
“Dit is regtig pragtig dat jy iets soos diamant kan neem en nut daaraan kan bring. Om iets eenvoudig genoeg te hê om die basiese fisika te verstaan, maar wat ook genoeg gemanipuleer kan word om komplekse fisika te doen, is wonderlik,” het Holt gesê.
Nog 'n doelwit vir hierdie navorsing is die vermoë om 'n kwantumtoestand, soos dié van 'n defek in diamant, koherent van een punt na 'n ander oor te dra deur elektrone te gebruik. Werk deur NPQC-wetenskaplikes by Berkeley Lab en Argonne Lab bestudeer spesiale kwantumdrade wat in atoomdun lae van sommige materiale voorkom. Supergeleiding was onverwags ontdek in een so 'n stelsel, 'n driedubbele laag koolstofvelle, deur die groep gelei deur Feng Wang, 'n Berkeley Lab fakulteit senior wetenskaplike en UC Berkeley professor, en leier van NPQC se poging in atoomdun materiale. Van hierdie werk, gepubliseer in Nature in 2019, het Wang gesê: "Die feit dat dieselfde materiale beide beskermde eendimensionele geleiding en supergeleiding kan bied, maak 'n paar nuwe moontlikhede oop vir die beskerming en oordrag van kwantumkoherensie."
Na nuttige toestelle
Multi-defekstelsels is nie net belangrik as fundamentele wetenskapkennis nie. Hulle het ook die potensiaal om transformerende tegnologieë te word. In nuwe tweedimensionele materiale wat die weg baan vir ultravinnige elektronika en ultra-stabiele sensors, ondersoek NPQC-navorsers hoe spindefekte gebruik kan word om die materiaal se elektroniese en magnetiese eienskappe te beheer. Onlangse bevindings het 'n paar verrassings gebied.
"'n Fundamentele begrip van nanoskaal magnetiese materiale en hul toepassings in spintronika het reeds gelei tot 'n enorme transformasie in magnetiese stoor- en sensortoestelle. Die ontginning van kwantumkoherensie in magnetiese materiale kan die volgende sprong na lae-krag elektronika wees,” sê Peter Fischer, senior wetenskaplike en afdelingsadjunk in die Materiaalwetenskappe-afdeling by Berkeley Lab.
'n Materiaal se magnetiese eienskappe hang geheel en al af van die belyning van spins in aangrensende atome. Anders as die netjies belynde draaie in 'n tipiese yskasmagneet of die magnete wat in klassieke databerging gebruik word, het antiferromagnete aangrensende draaie wat in teenoorgestelde rigtings wys en mekaar effektief kanselleer. As gevolg hiervan, "werk" antiferromagnete nie magneties nie en is uiters robuust teen eksterne versteurings. Navorsers het lank gesoek na maniere om dit te gebruik in spin-gebaseerde elektronika, waar inligting deur spin vervoer word in plaas van lading. Die sleutel om dit te doen is om 'n manier te vind om spin-oriëntasie te manipuleer en samehang te behou.
'n Eksotiese magnetiese toestel kan rekenaartoestelle en persoonlike elektronika verder miniaturiseer sonder om prestasie te verloor. Skaalbalk wat hierbo gewys word, is 10 mikrometer. Krediet: James Analytis/Berkeley Lab
In 2019 het NPQC-navorsers onder leiding van James Analytis, 'n fakulteitswetenskaplike by Berkeley Lab en medeprofessor in fisika aan UC Berkeley, saam met postdoc Eran Maniv, opgemerk dat die toepassing van 'n klein, enkele puls van elektriese stroom op klein vlokkies van 'n antiferromagneet veroorsaak het dat draai en "verander" hul oriëntasie. Gevolglik kon die materiaal se eienskappe uiters vinnig en presies ingestel word. "Om die fisika hieragter te verstaan, sal meer eksperimentele waarnemings en 'n mate van teoretiese modellering verg," het Maniv gesê. “Nuwe materiaal kan help om te onthul hoe dit werk. Dit is die begin van ’n nuwe navorsingsveld.”
Nou werk die navorsers om die presiese meganisme vas te stel wat daardie oorskakeling in materiaal wat vervaardig en gekenmerk word by die Molecular Foundry, 'n gebruikersfasiliteit by Berkeley Lab, aandryf. Onlangse bevindinge, gepubliseer in Wetenskap Voorskotte en Natuurfisika, stel voor dat die fyninstelling van die defekte in 'n gelaagde materiaal 'n betroubare manier kan bied om die spinpatroon in nuwe toestelplatforms te beheer. "Dit is 'n merkwaardige voorbeeld van hoe met baie defekte ons 'n skakelbare magnetiese struktuur kan stabiliseer," het Moore, die NPQC-leier, gesê.
Spin nuwe drade
In sy volgende jaar van bedryf sal NPQC voortbou op vanjaar se vordering. Doelwitte sluit in om te ondersoek hoe veelvuldige defekte in tweedimensionele materiale in wisselwerking tree en om nuwe soorte eendimensionele strukture te ondersoek wat kan ontstaan. Hierdie laer-dimensionele strukture kan hulself bewys as sensors vir die opsporing van ander materiale se kleinste skaal eienskappe. Daarbenewens sal die fokus op hoe elektriese strome spin-afgeleide magnetiese eienskappe kan manipuleer fundamentele wetenskap direk aan toegepaste tegnologieë koppel.
Vinnige vordering in hierdie take vereis die kombinasie van tegnieke en kundigheid wat slegs binne 'n groot samewerkende raamwerk geskep kan word. "Jy ontwikkel nie vermoëns in isolasie nie," het Holt gesê. "Die NPQC bied die dinamiese navorsingsomgewing wat die wetenskap dryf en benut wat elke laboratorium of fasiliteit doen." Die navorsingsentrum bied intussen 'n unieke opleiding aan die grense van die wetenskap, insluitend geleenthede vir die ontwikkeling van die wetenskaplike arbeidsmag wat die toekomstige kwantumbedryf sal lei.
Die NPQC bring 'n nuwe stel vrae en doelwitte na die studie van die basiese fisika van kwantummateriale. Moore het gesê: "Kwantummeganika beheer die gedrag van elektrone in vaste stowwe, en hierdie gedrag is die basis vir baie van die moderne tegnologie wat ons as vanselfsprekend aanvaar. Maar ons is nou aan die begin van die tweede kwantumrevolusie, waar eienskappe soos koherensie die middelpunt is, en om te verstaan hoe om hierdie eienskappe te verbeter, maak 'n nuwe stel vrae oor materiale oop vir ons om te beantwoord.
Verwysing: "Emergent hydrodynamics in a strongly interacting dipolar spin ensemble" deur C. Zu, F. Machado, B. Ye, S. Choi, B. Kobrin, T. Mittiga, S. Hsieh, P. Bhattacharyya, M. Markham, D. Twitchen, A. Jarmola, D. Budker, CR Laumann, JE Moore en NY Yao, 1 September 2021, Aard.
DOI: 10.1038/s41586-021-03763-1
