För första gången, forskare kunde studera kvantinterferens i ett kvantsystem i tre nivåer och därigenom kontrollera beteendet hos enskilda elektronspinn. För detta ändamål, de använde en ny nanostruktur där ett kvantsystem är integrerat i en nanoskala mekanisk oscillator i form av en diamantfäste. Naturfysik har publicerat studien, som genomfördes vid universitetet i Basel och Swiss Nanoscience Institute.

Elektronspinn är en grundläggande kvantmekanisk egenskap. I kvantvärlden, den elektroniska snurrningen beskriver elektronens rotationsriktning runt dess axel, som normalt kan uppta två så kallade egenstater som vanligtvis betecknas som "upp" och "ner". Spinnets kvantegenskaper erbjuder intressanta perspektiv för framtida teknik, till exempel, i form av extremt exakta kvantgivare.

Kombinera snurr med mekaniska oscillatorer

Forskare ledda av professor Patrick Maletinsky och doktorand kandidat Arne Barfuss från Swiss Nanoscience Institute vid University of Basel rapporterar i Naturfysik en ny metod för att styra kvantspinnet med ett mekaniskt system.

För deras experimentella studie, de kombinerade ett sådant kvantsystem med en mekanisk oscillator. Mer specifikt, forskarna använde elektroner fångade i så kallade kvävevakanscentra och inbäddade dessa snurr i enkristallina mekaniska resonatorer gjorda av diamant.

Dessa kväve-lediga snurr är speciella, genom att de inte bara har två, men tre egenstater, som kan beskrivas som "upp, " "ner" och "noll." Använda den speciella kopplingen av en mekanisk oscillator till spinn, de visade för första gången fullständig kvantkontroll över ett sådant trenivåsystem, på ett sätt som inte var möjligt tidigare.

Särskilt, oscillatorn tillät dem att ta itu med alla tre möjliga övergångar i spinnet och att studera hur de resulterande excitationsvägarna interfererar med varandra. Detta scenario, känd som "sluten konturkörning, "har aldrig undersökts tidigare, men öppnar intressanta grundläggande och praktiska perspektiv. Till exempel, deras experiment tillät en brytning av tidsomvändningssymmetri, vilket innebär att systemets egenskaper ser fundamentalt annorlunda ut om tidsriktningen är omvänd än utan sådan inversion. I detta scenario, fasen av den mekaniska oscillatorn bestämde om centrifugeringen cirklade "medurs" (rotationsriktning uppåt, ner, noll, upp) eller "moturs".

Detta abstrakta koncept har praktiska konsekvenser för de bräckliga kvanttillstånden. I likhet med det välkända Schrödingers Cat-tankeexperimentet, spins kan existera samtidigt i en överlagring av två eller tre av de tillgängliga egentillstånden under en viss period, den så kallade kvantkoherenstiden.

Om de tre egentillstånden är kopplade till varandra med den slutna konturdrivningen som upptäckts här, koherenstiden kan förlängas avsevärt, som forskarna kunde visa. Jämfört med system där endast två av de tre möjliga övergångarna drivs, sammanhanget ökade nästan hundra gånger. Sådant koherensskydd är ett nyckelelement för framtida kvantteknik och ett annat huvudresultat av detta arbete.

Resultaten har stor potential för framtida applikationer. Det är tänkbart att hybridresonator-centrifugeringssystemet kan användas för exakt mätning av tidsberoende signaler med frekvenser i gigahertz-intervallet-t.ex. i kvantavkänning eller kvantinformationsbehandling. För tidsberoende signaler som kommer från objekt i nanoskala, sådana uppgifter är för närvarande mycket svåra att hantera annars. Här, kombinationen av snurr och ett oscillerande system kan vara användbart, i synnerhet på grund av det visade skyddet för spinnkoherens.