Schéma du cristal YSO avec Ce incrusté 3+ . À moins de 6 de distance, 29 Le couplage Si est détecté (magenta), plus éloigné 29 Si ne peut pas être distingué (bleu). Crédit :Kornher et al.
Les minéraux de terres rares sont une classe de matériaux aux propriétés similaires qui sont actuellement utilisés pour construire une variété d'appareils, y compris les LED, batteries rechargeables, aimants, laser, et beaucoup plus. Les spins électroniques de ces matériaux peuvent être hébergés dans des cristaux, créer des systèmes aux caractéristiques uniques qui pourraient servir d'interfaces entre les photons de la bande des télécommunications et les bits quantiques de spin à longue durée de vie.
De façon intéressante, ces systèmes présentent des spins électroniques qui interagissent avec les spins nucléaires environnants, et ils pourraient ainsi être particulièrement utiles pour le développement d'outils de mémoire quantique. Jusque là, cependant, aucun chercheur n'a été en mesure de détecter ou de détecter des spins nucléaires proximaux hébergés dans des cristaux liés aux terres rares.
Dans une étude présentée dans Lettres d'examen physique , des chercheurs de l'Université de Stuttgart et du Centre de recherche en sciences informatiques de Pékin ont réussi à détecter ces spins nucléaires proximaux, plus précisement, ceux près de ce seul 3+ ions hébergés dans un cristal d'orthosilicate d'yttrium (YSO). Leur étude s'appuie sur un article précédent publié dans Communication Nature , dans lequel ils ont exploré les propriétés cohérentes d'ions uniques de terres rares hébergés dans un cristal différent.
"Notre précédente étude a été menée sur un cristal de YAG, qui a un bain de filage encore plus dense que YSO, et a montré un temps d'interaction cohérent relativement court pour les spins électroniques étudiés, " Romain Kolesov, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. "Le temps de cohérence mesuré a motivé l'étude du cérium dans un autre cristal hôte avec un bain de spin nucléaire légèrement plus dilué, à savoir YSO, qui a encore une quantité considérable d'isotopes de spin nucléaire avec 100 % d'yttrium-89 et 5 % de silicium-29."
Dans leur nouvelle étude, Kolesov et ses collègues voulaient étudier les spins des électrons avec un temps de cohérence prolongé, c'est ce qui les a finalement conduits à examiner des matériaux de terres rares dans un cristal hôte YSO. Un temps de cohérence assez long, En réalité, leur permettrait finalement de détecter les spins nucléaires externes, qui était l'objectif premier de leur travail.
À gauche :Image de microlentilles fabriquées utilisées pour étudier optiquement les ions de terres rares. À droite :Image au microscope à balayage laser d'ions de terres rares à l'intérieur d'une microlentille. Crédit :Kornher et al.
"Les spins nucléaires individuels peuvent être détectés sur la base des signaux de fluorescence des ions de terres rares étudiés, " Thomas Kornher, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Dans nos expériences, nous avons excité l'électron de cérium avec des impulsions laser polarisées circulairement dans un état de spin spécifique. À l'aide d'un champ de micro-ondes, le spin a ensuite été amené dans un état de superposition, qui peut capter la perturbation des spins nucléaires externes."
Kolesov, Kornher et leurs collègues ont pu extraire cette perturbation des spins nucléaires externes, comme un signal fluorescent émis par une autre séquence d'impulsions laser. Notamment, ils ont réussi à extraire le signal d'un spin nucléaire externe individuel dans un bain de spin nucléaire dense. Leur article a ainsi établi que les ions de terres rares uniques étaient des sondes précieuses pour détecter des spins nucléaires uniques dans leur environnement.
« Si vous considérez les spins nucléaires simples adressables comme une ressource potentiellement utile dans les technologies quantiques, tels que les schémas de correction d'erreur quantique, puis les détecter sur la base d'ions uniques de terres rares permet d'accéder à une large gamme de matériaux, qui peut maintenant être envisagée pour des applications quantiques, " a déclaré Kornher. " La large gamme de nouveaux matériaux est basée sur le dopage polyvalent des ions de terres rares dans des hôtes à l'état solide, qui est un domaine bien étudié qui s'appuie sur des recherches sur la physique des lasers. »
La récente étude menée par cette équipe de chercheurs a permis de recueillir de nouvelles découvertes importantes qui pourraient ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement d'applications de mémoire quantique utilisant des systèmes d'ions de terres rares, qui sont basées sur des spins nucléaires environnementaux couplés. Dans leurs futurs travaux, Kolesov, Kornher et leurs collègues aimeraient étudier l'initialisation du spin nucléaire qui pourrait permettre l'accès aux spins nucléaires. Plus précisement, ils prévoient de manipuler les spins nucléaires individuels détectés dans leur récente étude et de mettre en œuvre des portes logiques quantiques sur eux.
"Une métaphore pour expliquer les réalisations de notre étude pourrait être que nous avons pu entendre le ton très calme d'un moustique (que ce soit même un moustique quantique) dans une rue à forte circulation (bain d'essorage), " a déclaré Kolesov. " Jusqu'à présent, on ne peut que l'entendre, mais la prochaine tâche serait de contrôler son vol et le but ultime de contrôler plusieurs moustiques à la fois en les distinguant par leurs voix légèrement différentes."
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