El sonido provoca «saltos cuánticos» entre órbitas electrónicas

Investigadores de la Universidad de Cornell han demostrado que las ondas sonoras acústicas se pueden utilizar para controlar el movimiento de un electrón mientras orbita un defecto reticular en un diamante, una técnica que potencialmente puede mejorar la sensibilidad de los sensores cuánticos y utilizarse en otros dispositivos cuánticos.

Los avances en la tecnología de la información cuántica exigen encontrar nuevas formas de controlar los electrones y otras partículas microscópicas. En un artículo titulado «Control acústico coherente de estados orbitales defectuosos en el límite de conducción fuerte», Gregory Fuchs, profesor de física aplicada y de ingeniería, y su asociado postdoctoral, Brendan McCullian, colaboraron con Erich Mueller, profesor de física en la Facultad de Artes y Ciencias, y su estudiante de doctorado, Vaibhav Sharma, para diseñar un entorno en el que las ondas sonoras puedan impulsar «saltos cuánticos» entre las órbitas de los electrones.

El trabajo fue publicado En el diario PRX cuántico.

McCullian construyó un altavoz microscópico sobre la superficie de un chip de diamante, que funcionaba a una frecuencia que coincidía exactamente con una transición electrónica. Utilizando técnicas similares a las empleadas en la resonancia magnética, pudo demostrar el control coherente de un solo electrón dentro del chip de diamante.

Los cúbits (el análogo cuántico de los bits que se encuentran en un ordenador clásico) deben permanecer coherentes, o en un estado estable, para poder hacer algo útil. Esta coherencia es muy frágil y se pierde fácilmente por fluctuaciones del entorno, como cuando un electrón cercano salta de una ubicación a otra. Durante muchos años, los científicos han ampliado los tiempos de coherencia de los cúbits mediante una técnica llamada resonancia de espín, que utiliza microondas y campos magnéticos para alterar el comportamiento de los electrones. Fuchs y su grupo intentaron extender esta técnica al dominio acústico y mejorar la coherencia de los orbitales.

«Controlamos acústicamente los estados orbitales de una manera algo análoga a la resonancia de espín, y luego usamos las herramientas establecidas de las técnicas de resonancia de espín para investigar la coherencia de ese estado orbital», dijo Fuchs. «Nos resultó muy interesante poder hacer una versión orbital de la resonancia de espín: tomar las herramientas que conocemos de la resonancia de espín (por ejemplo, el control coherente y las oscilaciones de Rabi) y, con un resonador acústico de un par de gigahercios, mapearlas sobre los estados orbitales y ver que esas técnicas siguen siendo válidas».

El trabajo de Fuchs ayuda a avanzar en el conocimiento del centro de nitrógeno-vacante (NV), un defecto en las redes cristalinas de diamante que es un qubit importante para la detección y las redes cuánticas, y ayuda a desarrollar nuevas herramientas para combatir las fluctuaciones ambientales que conducen a la difusión espectral, que puede causar problemas importantes en las aplicaciones de redes cuánticas que dependen de una transición óptica constante donde la frecuencia de cada fotón emitido es la misma.

«Al investigar cómo interactúa el centro NV con estas fuentes de ruido y encontrar formas de modificar esa interacción utilizando herramientas que normalmente reservamos para los espines, hemos descubierto una forma de hacer que funcione con los estados orbitales. Se trata de una importante incorporación a la ciencia», afirmó Fuchs. «Este proyecto también fue un ejemplo de cómo debería funcionar la colaboración entre equipos. Las técnicas experimentales se desarrollaron en mi laboratorio, pero luego colaboramos con un grupo del Departamento de Física que proporcionó un análisis teórico y nos ayudó a formular nuestras predicciones y a comprender los resultados».

«Fue una colaboración sumamente gratificante», afirmó Mueller. «Las ondas acústicas excitaron a los electrones a través de un mecanismo similar al que se utiliza para ‘bombear’ un columpio en el patio de recreo. Cuando las vibraciones están sincronizadas con el movimiento del electrón, pueden transferirle energía. Es realmente sorprendente que se pueda controlar el movimiento del electrón con lo que, en esencia, es un altavoz».