Medan defekter i en diamant oftast är oönskade, vissa defekter är en kvantfysikers bästa vän, med potential att lagra informationsbitar som en dag skulle kunna användas i ett kvantberäkningssystem.

Tillämpade fysiker vid Cornell University har visat en teknik för att konstruera några av de viktigaste optiska egenskaperna hos dessa defekter, tillhandahåller ett nytt verktyg för att utforska kvantmekaniken.

En grupp forskare ledd av Greg Fuchs, professor i tillämpad och teknisk fysik, har blivit de första att använda vibrationer som produceras av en resonator för att stabilisera dessa optiska egenskaper, tvingar diamantens elektroner till ett exciterat omloppstillstånd. Forskningen beskrivs i detalj i artikeln "Orbital State Manipulation of a Diamond Nitrogen-Vacancy Center Using a Mechanical Resonator, " publicerad 17 april i tidskriften Fysiska granskningsbrev .

Ungefär som en dators transistorer registrerar binär information genom att antingen vara "på" eller "av", "De interna tillstånden för dessa diamantdefekter i atomskala kan också representera informationsbitar, som att dess spin - en inneboende form av vinkelmomentum - är "upp" eller "ner". Men till skillnad från transistorer, som bara har två tillstånd, spin besitter kvantförmågan att vara upp och ner på samma gång. Används i kombination, dessa kvanttillstånd kunde registrera och dela information exponentiellt bättre än transistorer, tillåter datorer att utföra vissa beräkningar med en gång ofattbara hastigheter.

Utmaningen:Det är svårt att överföra kvantinformation från en plats till en annan. Fysiker har experimenterat med ett antal material och tekniker för att göra det, inklusive användningen av optiska egenskaper inuti de atomära defekterna hos diamanter som kallas kvävevakanscentra.

"En sak som diamantkväve-vakanscenter kan vara ganska bra på är kommunikation. Så du kan ha ett elektronsnurr, vilket är ett bra kvanttillstånd, sedan kan du överföra dess tillstånd till en foton av ljus, sa Fuchs, som lade till att fotonen sedan kan bära den biten information till en annan defekt. "En av utmaningarna med att göra det är att stabilisera det och få det att fungera som du vill. Vi har tillhandahållit en ny verktygslåda för att konstruera den optiska övergången för att förhoppningsvis göra den bättre."

Det var först nödvändigt för forskargruppen att konstruera en enhet som kunde skicka vibrationsvågor genom diamantdefekten. En gigahertz-frekvens mekanisk resonator tillverkades av en enkristall diamant, sedan skickades ljudvågor som vibrerade med cirka 1 gigahertz genom defekt.

Målet var att använda ljudet för att ändra defektens optiska övergångar, där förändringen från ett energitillstånd till ett annat resulterar i emission av en foton. Dessa övergångar tenderar att fluktuera baserat på olika miljöförhållanden, vilket gör det svårt att producera koherenta fotoner för att bära information.

Som ett exempel, slumpmässigt fluktuerande elektriska fält kan göra den optiska övergångsvåglängden instabil, enligt Huiyao Chen, en doktorand som lett studien.

"För att undertrycka effekten av dessa osammanhängande fluktuationer, Chen sa, "en sak vi kan göra är att eliminera kopplingen mellan elektronomloppet och det oönskade, slumpmässiga elektriska fält. Och det är där ljudvågorna som produceras av resonatorn spelar in."

För att veta om experimentet fungerade, forskargruppen använde ett mikroskop med en inställbar våglängdslaser för att skanna diamantens kvävevakanscenter. När laserns våglängd var i resonans med den optiska övergången, en emitterad foton kunde ses, en säker indikator på att elektronerna hade nått ett exciterat tillstånd. Forskarna studerade sedan hur ljudvågorna kunde förändra orbitaltillstånden, och därmed ändra den optiska övergången.