Elektroner är mycket utsatta för magnetfält, som forskare kan manipulera för att kontrollera elektronerna och deras rörelsemängd – dvs. deras "snurr".

Ett Cornell-team ledd av Greg Fuchs, biträdande professor i tillämpad och teknisk fysik vid College of Engineering, 2013 uppfann ett nytt sätt att utöva denna kontroll genom att använda akustiska vågor som genereras av mekaniska resonatorer. Det tillvägagångssättet gjorde det möjligt för teamet att kontrollera elektronspinövergångar (även känd som spinresonans) som annars inte skulle vara möjliga genom konventionellt magnetiskt beteende.

Fyndet var en välsignelse för alla som vill bygga kvantsensorer av det slag som används i mobila navigationsenheter. Dock, sådana enheter krävde fortfarande ett magnetiskt kontrollfält – och därför en skrymmande magnetisk antenn – för att driva vissa spinnövergångar.

Nu, Fuchs grupp har visat att dessa övergångar kan drivas enbart av akustik. Detta eliminerar behovet av magnetantenn, gör det möjligt för ingenjörer att bygga mindre, mer energieffektiva akustiska sensorer som kan packas tätare på en enda enhet.

Lagets tidning, "Akustiskt driver den enstaka kvantspinnövergången av diamantkväve-vakanscenter, " publicerad 27 maj i Fysisk granskning tillämpas .

"Du kan använda ett magnetfält för att driva dessa spinnövergångar, men ett magnetfält är faktiskt ett mycket utvidgat, stort föremål, sa Fuchs. Däremot, akustiska vågor kan vara mycket begränsade. Så om du funderar på att kontrollera olika områden av snurr inuti ditt chip, lokalt och självständigt, att göra det med akustiska vågor är ett förnuftigt tillvägagångssätt."

För att driva elektronspinövergångarna, Fuchs och Huiyao Chen '20, tidningens huvudförfattare, begagnade kvävevakanscenter (NV), som är defekter i kristallgittret hos en diamant. De akustiska resonatorerna är enheter för mikroelektromekaniska system (MEMS) utrustade med en givare. När spänning appliceras, enheten vibrerar, skickar akustiska vågor på 2 till 3 gigahertz in i kristallen. Dessa frekvenser orsakar spänningar och stress i defekten, vilket resulterar i elektronspinresonans.

En komplikation:Denna process exciterar också magnetfältet, så forskarna har aldrig varit helt säkra på effekten av de mekaniska vibrationerna kontra effekten av de magnetiska svängningarna. Så Fuchs och Chen gav sig i kast med att noggrant mäta kopplingen mellan de akustiska vågorna och spinnövergången, och jämför det med de beräkningar som föreslagits av teoretiska fysiker.

"Vi kunde separat etablera den magnetiska delen och den akustiska delen, och därigenom mäta den okända koefficienten som bestämmer hur starkt den enskilda kvantövergången kopplar till akustiska vågor, " sa Fuchs. "Svaret var, till vår förvåning och glädje, att det är en storleksordning större än förutspått. Det betyder att du verkligen kan designa helt akustiska spinresonansenheter som skulle göra utmärkta magnetfältssensorer, till exempel, men du behöver inte ett magnetiskt kontrollfält för att köra dem."

Fuchs arbetar med Cornells Center for Technology Licensing för att patentera upptäckten, som kan ha viktiga tillämpningar inom navigationsteknik.

"Det finns en betydande ansträngning över hela landet för att göra mycket stabila magnetfältssensorer med diamant NV-centra, "Fuchs sa. "Människor bygger redan dessa enheter baserade på konventionell magnetisk resonans med hjälp av magnetiska antenner. Jag tror att vår upptäckt kommer att ha enorma fördelar när det gäller hur kompakt du kan göra den och förmågan att göra oberoende sensorer som är nära placerade."