Ilustración artística del comportamiento hidrodinámico de un conjunto interactivo de defectos de espín cuántico en un diamante. Crédito: Norman Yao/Berkeley Lab
La investigación dirigida por Berkeley Lab es clave para la computación y las tecnologías cuánticas de próxima generación.
En 1998, investigadores como Mark Kubinec de UC Berkeley realizaron uno de los primeros cálculos cuánticos simples utilizando moléculas individuales. Usaron pulsos de ondas de radio para cambiar los espines de dos núcleos en una molécula, con la orientación "arriba" o "abajo" de cada espín almacenando información de la misma manera que un estado "0" o "1" almacena información en un bit de datos clásico. . En aquellos primeros días de las computadoras cuánticas, la orientación combinada de los dos núcleos, es decir, el estado cuántico de la molécula, solo podía conservarse durante breves períodos en entornos especialmente sintonizados. En otras palabras, el sistema perdió rápidamente su coherencia. El control sobre la coherencia cuántica es el paso que falta para construir computadoras cuánticas escalables.
Ahora, los investigadores están desarrollando nuevas vías para crear y proteger la coherencia cuántica. Si lo hace, habilitará dispositivos de procesamiento de información y medición exquisitamente sensibles que funcionan en condiciones ambientales o incluso extremas. En 2018, Joel Moore, científico sénior de la facultad en el Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley (Berkeley Lab) y profesor en UC Berkeley, obtuvo fondos del Departamento de Energía para crear y dirigir un Centro de Investigación de Fronteras Energéticas (EFRC), llamado Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC): para promover esos esfuerzos. "Los EFRC son una herramienta importante para que el DOE permita colaboraciones interinstitucionales enfocadas para lograr un progreso rápido en problemas científicos de vanguardia que están más allá del alcance de los investigadores individuales", dijo Moore.
A través del NPQC, científicos de Berkeley Lab, UC Berkeley, UC Santa Barbara, Argonne National Laboratory y Columbia Uiversity están liderando el camino para comprender y manipular la coherencia en una variedad de sistemas de estado sólido. Su triple enfoque se centra en el desarrollo de nuevas plataformas para la detección cuántica; diseñar materiales bidimensionales que albergan estados cuánticos complejos; y explorar formas de controlar con precisión las propiedades electrónicas y magnéticas de un material a través de procesos cuánticos. La solución a estos problemas se encuentra dentro de la comunidad científica de materiales. Desarrollar la capacidad de manipular la coherencia en entornos realistas requiere una comprensión profunda de los materiales que podrían proporcionar tecnologías ópticas, de detección o de bits cuánticos alternativos (o "qubit").
Los descubrimientos básicos son la base de otros desarrollos que contribuirán a otras inversiones del DOE en toda la Oficina de Ciencias. A medida que el programa entra en su cuarto año, varios avances están sentando las bases científicas para las innovaciones en la ciencia de la información cuántica.
Más defectos, más oportunidades
Muchos de los logros de NPQC hasta el momento se centran en plataformas cuánticas que se basan en fallas específicas en la estructura de un material llamadas defectos de espín. Un defecto de espín en el fondo del cristal derecho puede acercarse a la coherencia cuántica perfecta, mientras que posee una robustez y funcionalidad muy mejoradas.
Estas imperfecciones se pueden utilizar para fabricar plataformas de detección de alta precisión. Cada defecto de espín responde a fluctuaciones extremadamente sutiles en el entorno; y colecciones coherentes de defectos pueden lograr la exactitud y precisión. Pero entender cómo evoluciona la coherencia en un sistema de muchos giros, donde todos los giros interactúan entre sí, es abrumador. Para enfrentar este desafío, los investigadores de NPQC están recurriendo a un material común que resulta ser ideal para la detección cuántica: el diamante.
Durante la formación del diamante, el reemplazo de un átomo de carbono (verde) con un átomo de nitrógeno (amarillo, N) y la omisión de otro para dejar una vacante (púrpura, V) crea un defecto común que tiene propiedades de espín bien definidas. Crédito: NIST
En la naturaleza, cada carbono átomo en la estructura cristalina de un diamante se conecta a otros cuatro átomos de carbono. Cuando un átomo de carbono se reemplaza por un átomo diferente o se omite por completo, lo que comúnmente ocurre a medida que se forma la estructura cristalina del diamante, el defecto resultante a veces puede comportarse como un sistema atómico que tiene un espín bien definido, una forma intrínseca de momento angular transportado por electrones u otras partículas subatómicas. Al igual que estas partículas, ciertos defectos en el diamante pueden tener una orientación o polarización que es "girar hacia arriba" o "girar hacia abajo".
Mediante la ingeniería de múltiples defectos de espín diferentes en una red de diamante, Norman Yao, científico de la facultad en Berkeley Lab y profesor asistente de física en UC Berkeley, y sus colegas crearon un sistema 3D con espines dispersos por todo el volumen. Dentro de ese sistema, los investigadores desarrollaron una forma de sondear el "movimiento" de la polarización del espín en escalas de longitud diminutas.
Esquema que representa un bolsillo central de exceso de giro (sombreado turquesa) en un cubo de diamante, que luego se extiende como un tinte en un líquido. Crédito: Laboratorio de Berkeley
Usando una combinación de técnicas de medición, los investigadores encontraron que el giro se mueve en el sistema mecánico cuántico casi de la misma manera que el tinte se mueve en un líquido. Aprender de los tintes ha resultado ser un camino exitoso hacia la comprensión de la coherencia cuántica, como se publicó recientemente en la revista Naturaleza. El comportamiento emergente del espín no solo proporciona un poderoso marco clásico para comprender la dinámica cuántica, sino que el sistema de múltiples defectos proporciona una plataforma experimental para explorar cómo funciona la coherencia también. Moore, el director de NPQC y miembro del equipo que ha estudiado previamente otros tipos de dinámica cuántica, describió la plataforma NPQC como "un ejemplo controlable único de la interacción entre el desorden, las interacciones dipolares de largo alcance entre espines y la coherencia cuántica".
Los tiempos de coherencia de esos defectos de espín dependen en gran medida de su entorno inmediato. Muchos avances de NPQC se han centrado en crear y mapear la sensibilidad a la deformación en la estructura que rodea los defectos individuales en diamantes y otros materiales. Hacerlo puede revelar la mejor manera de diseñar defectos que tengan los tiempos de coherencia más largos posibles en materiales 3D y 2D. Pero, ¿exactamente cómo podrían correlacionarse los cambios impuestos por las fuerzas sobre el material mismo con los cambios en la coherencia del defecto?
Para averiguarlo, los investigadores de NPQC están desarrollando una técnica para crear áreas deformadas en un cristal anfitrión y medir la tensión. "Si piensas en los átomos en una red en términos de un somier, obtienes diferentes resultados dependiendo de cómo los presiones", dijo Martin Holt, líder de grupo en microscopía electrónica y de rayos X en el Laboratorio Nacional de Argonne e investigador principal. con NPQC. Utilizando la Fuente de fotones avanzada y el Centro de materiales a nanoescala, ambas instalaciones para usuarios del Laboratorio Nacional de Argonne, él y sus colegas ofrecen una imagen directa de las áreas deformadas en un cristal anfitrión. Hasta ahora, la orientación de un defecto en una muestra ha sido mayoritariamente aleatoria. Las imágenes revelan qué orientaciones son las más sensibles, proporcionando una vía prometedora para la detección cuántica de alta presión.
Los científicos de Berkeley Lab y UC Berkeley descubrieron inesperadamente la superconductividad en una triple capa de láminas de carbono. Crédito: Feng Wang y Guorui Chen/Berkeley Lab
“Es realmente hermoso que puedas tomar algo como un diamante y darle utilidad. Tener algo lo suficientemente simple como para comprender la física básica pero que también se pueda manipular lo suficiente como para hacer física compleja es genial”, dijo Holt.
Otro objetivo de esta investigación es la capacidad de transferir un estado cuántico, como el de un defecto en el diamante, de forma coherente de un punto a otro utilizando electrones. El trabajo de los científicos de NPQC en Berkeley Lab y Argonne Lab estudia cables cuánticos especiales que aparecen en capas atómicamente delgadas de algunos materiales. La superconductividad fue descubierto inesperadamente en uno de esos sistemas, una triple capa de láminas de carbono, por el grupo dirigido por Feng Wang, científico senior de la facultad de Berkeley Lab y profesor de UC Berkeley, y líder del esfuerzo de NPQC en materiales atómicamente delgados. Sobre este trabajo, publicado en Nature en 2019, Wang dijo: "El hecho de que los mismos materiales puedan ofrecer tanto conducción unidimensional protegida como superconductividad abre nuevas posibilidades para proteger y transferir la coherencia cuántica".
Hacia dispositivos útiles
Los sistemas de defectos múltiples no solo son importantes como conocimiento científico fundamental. También tienen el potencial de convertirse en tecnologías transformadoras. En nuevos materiales bidimensionales que allanan el camino para la electrónica ultrarrápida y los sensores ultraestables, los investigadores del NPQC investigan cómo se pueden utilizar los defectos de espín para controlar las propiedades electrónicas y magnéticas del material. Hallazgos recientes han ofrecido algunas sorpresas.
“Una comprensión fundamental de los materiales magnéticos a nanoescala y sus aplicaciones en la espintrónica ya ha llevado a una enorme transformación en los dispositivos sensores y de almacenamiento magnético. Explotar la coherencia cuántica en los materiales magnéticos podría ser el próximo salto hacia la electrónica de bajo consumo”, dijo Peter Fischer, científico principal y adjunto de la División de Ciencias de los Materiales en Berkeley Lab.
Las propiedades magnéticas de un material dependen completamente de la alineación de los espines en los átomos adyacentes. A diferencia de los giros cuidadosamente alineados en un imán de refrigerador típico o los imanes usados en el almacenamiento de datos clásico, los antiferromagnetos tienen giros adyacentes que apuntan en direcciones opuestas y se cancelan entre sí de manera efectiva. Como resultado, los antiferromagnetos no “actúan” como magnéticos y son extremadamente resistentes a las perturbaciones externas. Los investigadores han buscado durante mucho tiempo formas de usarlos en la electrónica basada en espín, donde la información se transporta por espín en lugar de por carga. La clave para hacerlo es encontrar una manera de manipular la orientación del giro y mantener la coherencia.
Un dispositivo magnético exótico podría miniaturizar aún más los dispositivos informáticos y los dispositivos electrónicos personales sin pérdida de rendimiento. La barra de escala que se muestra arriba es de 10 micrómetros. Crédito: James Analytis/Berkeley Lab
En 2019, los investigadores de NPQC dirigidos por James Analytis, científico de la facultad en Berkeley Lab y profesor asociado de física en UC Berkeley, con el posdoctorado Eran Maniv, observaron que la aplicación de un pequeño pulso único de corriente eléctrica a pequeñas escamas de un antiferromagnético hizo que los giros se detuvieran. rotar y “cambiar” su orientación. Como resultado, las propiedades del material podrían ajustarse de manera extremadamente rápida y precisa. “Comprender la física detrás de esto requerirá más observaciones experimentales y algunos modelos teóricos”, dijo Maniv. “Los nuevos materiales podrían ayudar a revelar cómo funciona. Este es el comienzo de un nuevo campo de investigación”.
Ahora, los investigadores están trabajando para identificar el mecanismo exacto que impulsa ese cambio en los materiales fabricados y caracterizados en Molecular Foundry, una instalación de usuarios en Berkeley Lab. Descubrimientos recientes, publicado en Science Advances y Física de la naturaleza, sugieren que el ajuste fino de los defectos en un material en capas podría proporcionar un medio confiable para controlar el patrón de giro en nuevas plataformas de dispositivos. "Este es un ejemplo notable de cómo tener muchos defectos nos permite estabilizar una estructura magnética conmutable", dijo Moore, líder de NPQC.
Tejiendo nuevos hilos
En su próximo año de operación, NPQC se basará en el progreso de este año. Los objetivos incluyen explorar cómo interactúan múltiples defectos en materiales bidimensionales e investigar nuevos tipos de estructuras unidimensionales que podrían surgir. Estas estructuras de menor dimensión podrían probarse como sensores para detectar las propiedades a menor escala de otros materiales. Además, centrarse en cómo las corrientes eléctricas pueden manipular las propiedades magnéticas derivadas del espín vinculará directamente la ciencia fundamental con las tecnologías aplicadas.
El progreso rápido en estas tareas requiere la combinación de técnicas y experiencia que solo se pueden crear dentro de un marco de colaboración grande. “No se desarrollan capacidades de forma aislada”, dijo Holt. “El NPQC proporciona el entorno de investigación dinámico que impulsa la ciencia y aprovecha lo que está haciendo cada laboratorio o instalación”. Mientras tanto, el centro de investigación brinda una educación única en las fronteras de la ciencia, incluidas oportunidades para desarrollar la fuerza laboral científica que liderará la futura industria cuántica.
El NPQC aporta un nuevo conjunto de preguntas y objetivos al estudio de la física básica de los materiales cuánticos. Moore dijo: “La mecánica cuántica gobierna el comportamiento de los electrones en los sólidos, y este comportamiento es la base de gran parte de la tecnología moderna que damos por sentado. Pero ahora estamos al comienzo de la segunda revolución cuántica, donde propiedades como la coherencia ocupan un lugar central, y comprender cómo mejorar estas propiedades abre un nuevo conjunto de preguntas sobre los materiales para que las respondamos".
Referencia: "Hidrodinámica emergente en un conjunto de espín dipolar de interacción fuerte" por 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 y NY Yao, 1 de septiembre de 2021, Naturaleza.
DOI: 10.1038/s41586-021-03763-1
