Команда из Корнелла во главе с Грегом Фуксом, доцентом прикладной и инженерной физики Инженерного колледжа, в 2013 году изобрела новый способ осуществления этого контроля с помощью акустических волн, генерируемых механическими резонаторами. Этот подход позволил команде управлять спиновыми переходами электронов (также известными как спиновой резонанс), которые в противном случае были бы невозможны при обычном магнитном поведении.
Это открытие было благом для всех, кто хотел создать квантовые датчики, подобные тем, которые используются в мобильных навигационных устройствах.
Однако таким устройствам по-прежнему требовалось управляющее магнитное поле – и, следовательно, громоздкая магнитная антенна – для управления определенными спиновыми переходами.
Группа Фукса показала, что эти переходы могут быть вызваны исключительно акустикой. Это устраняет необходимость в магнитной антенне, что позволяет инженерам создавать акустические датчики меньшего размера с более низким энергопотреблением, которые можно более компактно разместить на одном устройстве.
Статья команды «Акустическое управление одноквантовым спиновым переходом алмазных азотно-вакансионных центров» опубликована 27 мая в журнале Physical Review Applied.
«Вы можете использовать магнитное поле, чтобы управлять этими спиновыми переходами, но магнитное поле на самом деле представляет собой очень протяженный большой объект», – сказал Фукс. "Напротив, акустические волны могут быть очень ограниченными.
Поэтому, если вы думаете об управлении различными областями спинов внутри вашего чипа, локально и независимо, то использование акустических волн – разумный подход."
Чтобы управлять электронными спиновыми переходами, Фукс и Хуйяо Чен ’20, ведущие авторы статьи, использовали центры азот-вакансии (NV), которые являются дефектами кристаллической решетки алмаза.
Акустические резонаторы представляют собой устройства микроэлектромеханических систем (МЭМС), оборудованные преобразователем. При подаче напряжения устройство вибрирует, посылая в кристалл акустические волны от 2 до 3 гигагерц. Эти частоты вызывают деформацию и напряжение в дефекте, что приводит к электронному спиновому резонансу.
Одно осложнение: этот процесс также возбуждает магнитное поле, поэтому исследователи никогда не были полностью уверены в влиянии механических колебаний на влияние магнитных колебаний.
Поэтому Фукс и Чен решили тщательно измерить связь между акустическими волнами и спиновым переходом и сравнить его с расчетами, предложенными физиками-теоретиками.
«Мы смогли отдельно установить магнитную часть и акустическую часть и, таким образом, измерить тот неизвестный коэффициент, который определяет, насколько сильно одиночный квантовый переход взаимодействует с акустическими волнами», – сказал Фукс. "Ответ был, к нашему удивлению и восторгу, что это на порядок больше, чем предполагалось. Это означает, что вы действительно можете спроектировать полностью акустические устройства спинового резонанса, которые, например, могли бы стать отличными датчиками магнитного поля, но вам не нужно магнитное управляющее поле для их работы."
Fuchs работает с Корнельским центром лицензирования технологий, чтобы запатентовать открытие, которое может иметь важные приложения в навигационных технологиях.
«По всей стране предпринимаются значительные усилия по созданию высокостабильных датчиков магнитного поля с алмазными нейтрализующими центрами», – сказал Фукс. "Люди уже создают эти устройства на основе обычного магнитного резонанса с использованием магнитных антенн. Я думаю, что наше открытие принесет огромную пользу с точки зрения того, насколько вы сможете сделать его компактным, и с точки зрения возможности создавать независимые датчики, расположенные близко друг к другу."
Исследование было поддержано Агентством перспективных оборонных исследовательских проектов и Управлением военно-морских исследований.