Художественная иллюстрация гидродинамического поведения взаимодействующего ансамбля квантовых спиновых дефектов в алмазе. Предоставлено: Норман Яо / Лаборатория Беркли.
Ключ к исследованиям, проводимым лабораторией Беркли, к квантовым вычислениям и технологиям нового поколения.
В 1998 году исследователи, включая Марка Кубинца из Калифорнийского университета в Беркли, выполнили одно из первых простых квантовых вычислений с использованием отдельных молекул. Они использовали импульсы радиоволн, чтобы перевернуть спины двух ядер в молекуле, причем ориентация каждого спина «вверх» или «вниз» сохраняла информацию так, как состояние «0» или «1» хранит информацию в классическом бите данных. . В те времена, когда возникли квантовые компьютеры, комбинированная ориентация двух ядер, то есть квантовое состояние молекулы, могла сохраняться только в течение коротких периодов времени в специально настроенных средах. Другими словами, система быстро потеряла связность. Контроль над квантовой когерентностью - это недостающий шаг к созданию масштабируемых квантовых компьютеров.
Теперь исследователи разрабатывают новые способы создания и защиты квантовой когерентности. Это позволит использовать исключительно чувствительные устройства для измерения и обработки информации, которые будут работать в окружающих или даже в экстремальных условиях. В 2018 году Джоэл Мур, старший научный сотрудник Национальной лаборатории Лоуренса Беркли (лаборатория Беркли) и профессор Калифорнийского университета в Беркли, получил средства от Министерства энергетики на создание и возглавление Исследовательского центра Energy Frontier Research Center (EFRC), называемого Центром романов. Пути к квантовой когерентности в материалах (NPQC) - в поддержку этих усилий. «EFRC - важный инструмент для Министерства энергетики, позволяющий целенаправленно взаимодействовать между учреждениями и добиваться быстрого прогресса в решении важнейших научных проблем, которые выходят за рамки отдельных исследователей», - сказал Мур.
Через NPQC ученые из лаборатории Беркли, Калифорнийского университета в Беркли, Калифорнийского университета в Санта-Барбаре, Аргоннской национальной лаборатории и Колумбийский университет являются лидерами в понимании и управлении когерентностью в различных твердотельных системах. Их тройной подход сосредоточен на разработке новых платформ для квантового зондирования; конструирование двумерных материалов, содержащих сложные квантовые состояния; и изучение способов точного управления электронными и магнитными свойствами материала с помощью квантовых процессов. Решение этих проблем лежит в сообществе ученых-материаловедов. Развитие способности управлять когерентностью в реалистичной среде требует глубокого понимания материалов, которые могут обеспечить альтернативные квантовые биты (или «кубиты»), сенсорные или оптические технологии.
Основные открытия лежат в основе дальнейших разработок, которые будут способствовать другим инвестициям Министерства энергетики в Управлении науки. По мере того, как программа вступает в свой четвертый год, несколько прорывов закладывают научную основу для инноваций в квантовой информатике.
Больше дефектов, больше возможностей
Многие из достижений NPQC к настоящему времени сосредоточены на квантовых платформах, основанных на определенных дефектах в структуре материала, называемых спиновыми дефектами. Спиновый дефект в правом кристаллическом фоне может приближаться к идеальной квантовой когерентности, обладая при этом значительно улучшенной надежностью и функциональностью.
Эти недостатки могут быть использованы для создания высокоточных измерительных платформ. Каждый дефект вращения реагирует на очень тонкие колебания окружающей среды; и согласованный набор дефектов может достичь беспрецедентного точность и точность. Но понять, как когерентность развивается в системе многих спинов, где все спины взаимодействуют друг с другом, сложно. Чтобы решить эту проблему, исследователи NPQC обращаются к обычному материалу, который оказывается идеальным для квантового восприятия: алмазу.
Во время образования алмаза замена одного атома углерода (зеленый) на атом азота (желтый, N) и пропуск другого атома, чтобы оставить вакансию (фиолетовый, V), создает общий дефект, который имеет четко определенные спиновые свойства. Кредит: NIST
В природе каждый углерод атом в кристаллической структуре алмаза соединяется с четырьмя другими атомами углерода. Когда один атом углерода заменяется другим атомом или полностью опускается, что обычно происходит при формировании кристаллической структуры алмаза, возникающий в результате дефект может иногда вести себя как атомная система с четко определенным спином - внутренняя форма углового момента, переносимого электроны или другие субатомные частицы. Подобно этим частицам, определенные дефекты в алмазе могут иметь ориентацию или поляризацию, которая имеет либо «вращение вверх», либо «вращение вниз».
Разработав несколько различных спиновых дефектов в решетке алмаза, Норман Яо, научный сотрудник лаборатории Беркли и доцент физики Калифорнийского университета в Беркли, и его коллеги создали трехмерную систему со спинами, распределенными по всему объему. В рамках этой системы исследователи разработали способ исследовать «движение» спиновой поляризации на крошечных масштабах длины.
Схема, изображающая центральный карман излишков вращения (бирюзовый оттенок) в алмазном кубе, который затем растекается так же, как краситель в жидкости. Предоставлено: Лаборатория Беркли.
Используя комбинацию методов измерения, исследователи обнаружили, что спин движется в квантово-механической системе почти так же, как краситель движется в жидкости. Обучение на красителях оказалось успешным путем к пониманию квантовой когерентности, как недавно было опубликовано в журнале. природа. Эмерджентное поведение спина не только обеспечивает мощную классическую основу для понимания квантовой динамики, но и система с множеством дефектов обеспечивает экспериментальную платформу для изучения того, как работает когерентность. Мур, директор NPQC и член группы, ранее изучавший другие виды квантовой динамики, описал платформу NPQC как «уникально управляемый пример взаимодействия между беспорядком, дипольными взаимодействиями между спинами на больших расстояниях и квантовой когерентностью».
Время когерентности этих спиновых дефектов сильно зависит от их непосредственного окружения. Многие открытия в области NPQC были сосредоточены на создании и отображении чувствительности к деформации в структуре, окружающей отдельные дефекты в алмазе и других материалах. Это может показать, как лучше всего спроектировать дефекты, которые имеют максимально возможное время согласования в 3D- и 2D-материалах. Но как именно изменения, вызванные силами самого материала, могут коррелировать с изменениями когерентности дефекта?
Чтобы выяснить это, исследователи NPQC разрабатывают методику создания деформированных областей в кристалле-хозяине и измерения деформации. «Если вы подумаете об атомах в решетке как об коробчатой пружине, вы получите разные результаты в зависимости от того, как на них нажимать», - сказал Мартин Холт, руководитель группы электронной и рентгеновской микроскопии в Аргоннской национальной лаборатории и главный исследователь. с NPQC. Используя Advanced Photon Source и Center for Nanoscale Materials, оба пользовательских объекта в Аргоннской национальной лаборатории, он и его коллеги предлагают прямое изображение деформированных областей в кристалле-хозяине. До сих пор ориентация дефекта в выборке была в основном случайной. Изображения показывают, какие ориентации наиболее чувствительны, что открывает многообещающие возможности для квантового измерения высокого давления.
Ученые из лаборатории Беркли и Калифорнийского университета в Беркли неожиданно обнаружили сверхпроводимость в тройном слое углеродных листов. Предоставлено: Фен Ван и Гуоруи Чен / Лаборатория Беркли.
«Это действительно прекрасно, что можно взять что-то вроде алмаза и придать ему полезность. Иметь что-то достаточно простое, чтобы понять основы физики, но которым также можно достаточно манипулировать, чтобы заниматься сложной физикой, - это здорово », - сказал Холт.
Другой целью этого исследования является способность когерентно передавать квантовое состояние, подобное состоянию дефекта в алмазе, из одной точки в другую с помощью электронов. В работе ученых NPQC из лабораторий Беркли и Аргонна изучаются специальные квантовые проволоки, которые появляются в атомарно тонких слоях некоторых материалов. Сверхпроводимость была неожиданно обнаруженный в одной из таких систем - тройной слой углеродных листов, созданный группой под руководством Фэна Ванга, старшего научного сотрудника лаборатории Беркли и профессора Калифорнийского университета в Беркли, а также руководителя проекта NPQC в области атомно-тонких материалов. Об этой работе, опубликованной в журнале Nature в 2019 году, Ван сказал: «Тот факт, что одни и те же материалы могут обеспечивать как защищенную одномерную проводимость, так и сверхпроводимость, открывает некоторые новые возможности для защиты и передачи квантовой когерентности».
К полезным устройствам
Множественные дефектные системы важны не только как фундаментальные научные знания. У них также есть потенциал стать преобразующими технологиями. В новых двумерных материалах, которые открывают путь для сверхбыстрой электроники и сверхстабильных датчиков, исследователи NPQC исследуют, как спиновые дефекты могут быть использованы для управления электронными и магнитными свойствами материала. Недавние открытия преподнесли некоторые сюрпризы.
«Фундаментальное понимание наноразмерных магнитных материалов и их применения в спинтронике уже привело к огромным преобразованиям в магнитных запоминающих устройствах и сенсорных устройствах. Использование квантовой когерентности в магнитных материалах может стать следующим шагом к маломощной электронике », - сказал Питер Фишер, старший научный сотрудник и заместитель отдела материаловедения в лаборатории Беркли.
Магнитные свойства материала полностью зависят от выравнивания спинов в соседних атомах. В отличие от аккуратно выровненных спинов в типичном магните холодильника или магнитов, используемых в классическом хранении данных, у антиферромагнетиков есть смежные спины, которые указывают в противоположных направлениях и эффективно нейтрализуют друг друга. В результате антиферромагнетики не «действуют» на магнитные поля и чрезвычайно устойчивы к внешним воздействиям. Исследователи давно искали способы использовать их в спиновой электронике, где информация переносится вращением, а не зарядом. Ключ к этому - найти способ управлять ориентацией вращения и поддерживать согласованность.
Экзотическое магнитное устройство могло еще больше уменьшить вычислительные устройства и персональную электронику без потери производительности. Показанная выше шкала составляет 10 микрометров. Предоставлено: Джеймс Аналитис / Лаборатория Беркли.
В 2019 году исследователи NPQC во главе с Джеймсом Аналитисом, научным сотрудником лаборатории Беркли и доцентом физики в Калифорнийском университете в Беркли, вместе с постдоком Эраном Манивом, обнаружили, что подача небольшого одиночного импульса электрического тока к крошечным хлопьям антиферромагнетика вызвала спины. повернуть и «переключить» их ориентацию. В результате свойства материала можно было настраивать очень быстро и точно. «Понимание лежащей в основе этого физики потребует дополнительных экспериментальных наблюдений и некоторого теоретического моделирования», - сказал Манив. «Новые материалы могут помочь понять, как это работает. Это начало новой области исследований ».
Теперь исследователи работают над точным определением механизма, который управляет этим переключением в материалах, изготовленных и охарактеризованных в Molecular Foundry, пользовательском объекте в лаборатории Беркли. Недавние результаты, опубликовано в Наука развивается и Физика природы, предполагают, что точная настройка дефектов в слоистом материале могла бы обеспечить надежные средства управления структурой вращения в платформах новых устройств. «Это замечательный пример того, как наличие большого количества дефектов позволяет нам стабилизировать переключаемую магнитную структуру», - сказал Мур, руководитель NPQC.
Вращение новых потоков
В следующем году работы NPQC будет развивать успехи этого года. Цели включают изучение того, как взаимодействуют множественные дефекты в двумерных материалах, и исследование новых видов одномерных структур, которые могут возникнуть. Эти низкоразмерные структуры могут проявить себя как сенсоры для определения свойств других материалов в самом мелком масштабе. Кроме того, сосредоточение внимания на том, как электрические токи могут управлять магнитными свойствами, производными от спина, напрямую свяжет фундаментальную науку с прикладными технологиями.
Быстрый прогресс в этих задачах требует сочетания методов и опыта, которые могут быть созданы только в рамках большой совместной структуры. «Вы не развиваете способности изолированно», - сказал Холт. «NPQC обеспечивает динамическую исследовательскую среду, которая движет наукой и использует то, что делает каждая лаборатория или учреждение». Тем временем исследовательский центр предоставляет уникальное образование на переднем крае науки, включая возможности для развития научных кадров, которые будут руководить будущей квантовой индустрией.
NPQC привносит новый набор вопросов и целей в изучение фундаментальной физики квантовых материалов. Мур сказал: «Квантовая механика управляет поведением электронов в твердых телах, и это поведение является основой для большей части современных технологий, которые мы принимаем как должное. Но сейчас мы находимся в начале второй квантовой революции, когда такие свойства, как когерентность, занимают центральное место, и понимание того, как улучшить эти свойства, открывает нам новый набор вопросов о материалах, на которые мы должны ответить ».
Ссылка: «Эмерджентная гидродинамика в сильно взаимодействующем диполярном спиновом ансамбле» Ч. Зу, Ф. Мачадо, Б. Йе, С. Чой, Б. Кобрин, Т. Миттига, С. Сие, П. Бхаттачарья, М. Маркхэм, Д. Твитчен, А. Ярмола, Д. Будкер, С. Р. Лауман, Дж. Э. Мур и Нью-Йорк Яо, 1 сентября 2021 г., природа.
DOI: 10.1038/s41586-021-03763-1
