Detectando e controlando a densidade de rotação microscópica em materiais

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Os dispositivos eletrônicos normalmente usam a carga dos elétrons, mas o spin – seu outro grau de liberdade – está começando a ser explorado. Os defeitos de spin tornam os materiais cristalinos altamente úteis para dispositivos baseados em quântica, como sensores quânticos ultrassensíveis, dispositivos de memória quântica ou sistemas para simular a física dos efeitos quânticos. Variar a densidade de spin em semicondutores pode levar a novas propriedades em um material – algo que os pesquisadores desejam explorar há muito tempo – mas essa densidade é geralmente passageira e elusiva, sendo difícil de medir e controlar localmente.

Agora, uma equipe de pesquisadores do MIT e de outros lugares descobriu uma maneira de ajustar a densidade de spin no diamante, alterando-a por um fator de dois, aplicando um laser externo ou um feixe de micro-ondas. A descoberta, publicada esta semana na revista PNAS, pode abrir muitas novas possibilidades para dispositivos quânticos avançados, dizem os autores. O artigo é uma colaboração entre atuais e ex-alunos das professoras Paola Cappellaro e Ju Li do MIT e colaboradores do Politécnico de Milão. O primeiro autor do artigo, Guoqing Wang PhD '23, trabalhou em sua tese de doutorado no laboratório de Cappellaro e agora é pós-doutorado no MIT.

Um tipo específico de defeito de spin conhecido como centro de vacância de nitrogênio (NV) no diamante é um dos sistemas mais amplamente estudados por seu uso potencial em uma ampla variedade de aplicações quânticas. A rotação dos centros NV é sensível a qualquer perturbação física, elétrica ou óptica, tornando-os detectores potencialmente altamente sensíveis. “Os defeitos de spin no estado sólido são uma das plataformas quânticas mais promissoras”, diz Wang, em parte porque podem funcionar em condições ambientais de temperatura ambiente. Muitos outros sistemas quânticos requerem ambientes ultrafrios ou outros ambientes especializados.

“As capacidades de detecção em nanoescala dos centros NV os tornam promissores para sondar a dinâmica em seu ambiente de rotação, manifestando uma rica quantidade de física corporal ainda a ser compreendida”, acrescenta Wang. “Um grande defeito de spin no ambiente, chamado centro P1, pode geralmente ser 10 a 100 vezes mais populoso que o centro NV e, portanto, pode ter interações mais fortes, tornando-os ideais para o estudo da física de muitos corpos.”

Mas para sintonizar as suas interações, os cientistas precisam de ser capazes de alterar a densidade de spin, algo que anteriormente raramente tinha sido conseguido. Com esta nova abordagem, Wang diz: “Podemos ajustar a densidade de rotação para que ela forneça um botão potencial para realmente ajustar tal sistema. Essa é a principal novidade do nosso trabalho.”

Tal sistema ajustável poderia fornecer formas mais flexíveis de estudar a hidrodinâmica quântica, diz Wang. Mais imediatamente, o novo processo pode ser aplicado a alguns dispositivos de detecção quântica em nanoescala existentes, como forma de melhorar a sua sensibilidade.

Li, que ocupa um cargo conjunto nos departamentos de Ciência Nuclear e Engenharia e Ciência e Engenharia de Materiais do MIT, explica que os computadores e sistemas de processamento de informação atuais são todos baseados no controle e detecção de cargas elétricas, mas alguns dispositivos inovadores estão começando a fazer uso da propriedade chamada spin. A empresa de semicondutores Intel, por exemplo, tem experimentado novos tipos de transistores que acoplam rotação e carga, potencialmente abrindo caminho para dispositivos baseados em spintrônica.

“Os transistores CMOS tradicionais usam muita energia”, diz Li, “mas se você usar spin, como neste design da Intel, poderá reduzir muito o consumo de energia”. A empresa também desenvolveu dispositivos qubit de spin de estado sólido para computação quântica, e “spin é algo que as pessoas desejam controlar em sólidos porque é mais eficiente em termos energéticos e também é um transportador de informações quânticas”.