Um método elegante para a deteção de spins individuais utilizando a fotovoltagem
Isto poderá levar a uma conceção muito mais compacta dos sensores quânticos
Os diamantes com determinados defeitos opticamente activos podem ser utilizados como sensores altamente sensíveis ou qubits para computadores quânticos, onde a informação quântica é armazenada no estado de spin do eletrão destes centros de cor. No entanto, os estados de spin têm de ser lidos opticamente, o que é frequentemente complexo do ponto de vista experimental. Agora, uma equipa do HZB desenvolveu um método elegante que utiliza uma foto voltagem para detetar os estados de spin individuais e locais destes defeitos. Isto poderá conduzir a uma conceção muito mais compacta de sensores quânticos.
Os defeitos nos sólidos são frequentemente indesejáveis, mas também podem proporcionar novas e maravilhosas oportunidades, por exemplo, nos diamantes: Neste caso, podem ser introduzidos centros de vacância de azoto (centros NV) cujos estados de spin podem ser manipulados com micro-ondas. A informação de um único spin pode então ser lida com luz. Isto torna os diamantes dopados com NV adequados não só como sensores altamente sensíveis, mas também como qubits para computadores quânticos.
Até agora: deteção ótica
No entanto, para determinar o estado de cada spin individual, é necessário medir os fotões emitidos pelo centro de cor (que contém o spin). Uma vez que apenas um único fotão é emitido quando os spins se invertem, este sinal é muito fraco, o que leva a uma configuração experimental complexa para a deteção.
Agora: fotovoltagem medida por KPFM
Uma equipa do HZB apresentou agora um novo método para resolver este problema. A ideia era que esses centros de defeitos não só possuem um estado de spin, mas também uma carga eléctrica", diz o Dr. Boris Naydenov. Para sondar estas cargas, modificaram uma variante da microscopia de força atómica conhecida como microscopia de força de sonda Kelvin (KPFM): neste processo, um laser excita os centros NV, gerando portadores de carga livres que são capturados por estados de superfície e produzem assim uma tensão mensurável em torno de um centro NV.
Captação da dinâmica do spin
A fotovoltagem depende do estado de spin do eletrão do centro NV, pelo que podemos ler o spin individual", afirma Sergei Trofimov, que efectuou as medições no âmbito do seu projeto de doutoramento. Além disso, com o novo método, é mesmo possível captar a dinâmica do spin manipulando coerentemente os estados de spin utilizando excitação por micro-ondas.
Perspectivas: dispositivos minúsculos à base de diamante
Klaus Lips, diretor do departamento de Spins in Energy Conversion and Quantum Information Science, afirma: "Isto abriria caminho para o desenvolvimento de dispositivos baseados em diamantes realmente minúsculos e compactos, uma vez que tudo o que é necessário são contactos adequados em vez de ópticas microscópicas complexas e detectores de fotão único. Klaus Lips, chefe do departamento de Spins in Energy Conversion and Quantum Information Science. "O método de leitura recentemente desenvolvido poderá também ser utilizado noutros sistemas de física do estado sólido em que tenha sido observada a ressonância de spin de electrões de defeitos de spin", estima Lips.
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