Pour la première fois, les chercheurs ont pu étudier les interférences quantiques dans un système quantique à trois niveaux et ainsi contrôler le comportement des spins des électrons individuels. À cette fin, ils ont utilisé une nouvelle nanostructure dans laquelle un système quantique est intégré dans un oscillateur mécanique à l'échelle nanométrique sous la forme d'un cantilever en diamant. Physique de la nature a publié l'étude, qui a été menée à l'Université de Bâle et à l'Institut suisse des nanosciences.

Le spin électronique est une propriété fondamentale de la mécanique quantique. Dans le monde quantique, le spin électronique décrit le sens de rotation de l'électron autour de son axe, qui peut normalement occuper deux soi-disant états propres communément désignés comme "haut" et "bas". Les propriétés quantiques du spin offrent des perspectives intéressantes pour les technologies futures, par exemple, sous forme de capteurs quantiques extrêmement précis.

Combiner des spins avec des oscillateurs mécaniques

Les chercheurs dirigés par le professeur Patrick Maletinsky et Ph.D. le candidat Arne Barfuss du Swiss Nanoscience Institute de l'Université de Bâle rapporte dans Physique de la nature une nouvelle méthode pour contrôler le spin quantique avec un système mécanique.

Pour leur étude expérimentale, ils ont combiné un tel système quantique avec un oscillateur mécanique. Plus précisement, les chercheurs ont utilisé des électrons piégés dans ce que l'on appelle des centres de lacunes d'azote et ont intégré ces spins dans des résonateurs mécaniques monocristallins fabriqués à partir de diamant.

Ces spins à manque d'azote sont spéciaux, en ce qu'ils n'en possèdent pas seulement deux, mais trois états propres, qui peut être décrit comme « en haut, " " vers le bas " et " zéro ". En utilisant le couplage spécial d'un oscillateur mécanique au spin, ils ont montré pour la première fois un contrôle quantique complet sur un tel système à trois niveaux, d'une manière pas possible avant.

En particulier, l'oscillateur leur a permis d'aborder les trois transitions possibles dans le spin et d'étudier comment les voies d'excitation résultantes interfèrent les unes avec les autres. Ce scénario, connue sous le nom de « conduite en circuit fermé, " n'a jamais fait l'objet d'une enquête auparavant, mais ouvre des perspectives fondamentales et pratiques intéressantes. Par exemple, leur expérience a permis une rupture de la symétrie d'inversion du temps, ce qui signifie que les propriétés du système semblent fondamentalement différentes si la direction du temps est inversée que sans une telle inversion. Dans ce scénario, la phase de l'oscillateur mécanique déterminait si le spin tournait "dans le sens des aiguilles d'une montre" (sens de rotation vers le haut, vers le bas, zéro, vers le haut) ou "dans le sens inverse des aiguilles d'une montre".

Ce concept abstrait a des conséquences pratiques pour les états quantiques fragiles. Semblable à la célèbre expérience de pensée du chat de Schrödinger, les spins peuvent exister simultanément dans une superposition de deux ou trois des états propres disponibles pendant une certaine période, le temps dit de cohérence quantique.

Si les trois états propres sont couplés les uns aux autres en utilisant la conduite de contour fermé découverte ici, le temps de cohérence peut être considérablement allongé, comme les chercheurs ont pu le montrer. Par rapport aux systèmes dans lesquels seulement deux des trois transitions possibles sont pilotées, la cohérence a presque centuplé. Une telle protection de cohérence est un élément clé pour les futures technologies quantiques et un autre résultat principal de ce travail.

Les résultats ont un potentiel élevé pour de futures applications. Il est concevable que le système hybride résonateur-spin puisse être utilisé pour la mesure précise de signaux dépendant du temps avec des fréquences de l'ordre du gigahertz, par exemple, dans la détection quantique ou le traitement de l'information quantique. Pour les signaux dépendant du temps émergeant d'objets à l'échelle nanométrique, ces tâches sont actuellement très difficiles à accomplir autrement. Ici, la combinaison du spin et d'un système oscillant pourrait être utile, en particulier en raison de la protection démontrée de la cohérence de spin.