1998, forskare inklusive Mark Kubinec från UC Berkeley utförde en av de första enkla kvantberäkningarna med individuella molekyler. De använde pulser av radiovågor för att vända snurrarna av två kärnor i en molekyl, med varje snurrs "upp" eller "ner" orientering lagrar information på det sätt som ett "0" eller "1" tillstånd lagrar information i en klassisk databit. I dessa tidiga dagar av kvantdatorer, den kombinerade orienteringen av de två kärnorna – det vill säga, molekylens kvanttillstånd – kunde bara bevaras under korta perioder i speciellt inställda miljöer. Med andra ord, systemet förlorade snabbt sin sammanhållning. Kontroll över kvantkoherens är det saknade steget för att bygga skalbara kvantdatorer.

Nu, forskare utvecklar nya vägar för att skapa och skydda kvantkoherens. Om du gör det kommer det att möjliggöra utsökt känsliga mät- och informationsbehandlingsenheter som fungerar under omgivande eller till och med extrema förhållanden. Under 2018, Joel Moore, en senior fakultetsforskare vid Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) och professor vid UC Berkeley, säkrade medel från Department of Energy för att skapa och leda ett Energy Frontier Research Center (EFRC) – kallat Center for Novel Pathways to Quantum Coherence in Materials (NPQC) – för att främja dessa ansträngningar. "EFRC:erna är ett viktigt verktyg för DOE för att möjliggöra fokuserade interinstitutionella samarbeten för att göra snabba framsteg på framkant av vetenskapliga problem som ligger utanför individuella utredares räckvidd, sa Moore.

Genom NPQC, forskare från Berkeley Lab, UC Berkeley, UC Santa Barbara, Argonne National Laboratory, och Columbia University leder vägen för att förstå och manipulera koherens i en mängd olika solid-state-system. Deras trefaldiga tillvägagångssätt fokuserar på att utveckla nya plattformar för kvantavkänning; designa tvådimensionella material som är värd för komplexa kvanttillstånd; och utforska sätt att exakt kontrollera ett material elektroniska och magnetiska egenskaper via kvantprocesser. Lösningen på dessa problem ligger inom materialvetenskapssamfundet. Att utveckla förmågan att manipulera koherens i realistiska miljöer kräver en djupgående förståelse av material som kan tillhandahålla alternativa kvantbitar (eller "qubit"), avkänning, eller optisk teknik.

Grundläggande upptäckter ligger till grund för ytterligare utveckling som kommer att bidra till andra DOE-investeringar över hela Office of Science. När programmet går in på sitt fjärde år, flera genombrott lägger den vetenskapliga grunden för innovationer inom kvantinformationsvetenskap.

Fler defekter, fler möjligheter

Många av NPQC:s prestationer hittills fokuserar på kvantplattformar som är baserade på specifika brister i ett material struktur som kallas spindefekter. En spindefekt i den högra kristallbakgrunden kan närma sig perfekt kvantkoherens, samtidigt som den har kraftigt förbättrad robusthet och funktionalitet.

Dessa brister kan användas för att göra avkänningsplattformar med hög precision. Varje spindefekt reagerar på extremt subtila fluktuationer i miljön; och sammanhängande samlingar av defekter kan uppnå oöverträffad noggrannhet och precision. Men att förstå hur koherens utvecklas i ett system med många snurr, där alla snurr interagerar med varandra, är skrämmande. För att möta denna utmaning, NPQC-forskare vänder sig till ett vanligt material som visar sig vara idealiskt för kvantavkänning:diamant.

I naturen, varje kolatom i en diamants kristallstruktur ansluter till fyra andra kolatomer. När en kolatom ersätts med en annan atom eller utelämnas helt, som vanligtvis uppstår när diamantens kristallstruktur bildas, den resulterande defekten kan ibland bete sig som ett atomsystem som har ett väldefinierat spinn – en inneboende form av rörelsemängd som bärs av elektroner eller andra subatomära partiklar. Ungefär som dessa partiklar, vissa defekter i diamant kan ha en orientering, eller polarisering, det är antingen "spin-up" eller "spin-down".

Genom att konstruera flera olika spinndefekter i ett diamantgitter, Norman Yao, en fakultetsforskare vid Berkeley Lab och en biträdande professor i fysik vid UC Berkeley, och hans kollegor skapade ett 3D-system med snurr spridda över hela volymen. Inom det systemet, forskarna utvecklade ett sätt att undersöka "rörelsen" av spinnpolarisering på små längdskalor.

Genom att använda en kombination av mättekniker, forskarna fann att spinn rör sig i det kvantmekaniska systemet på nästan samma sätt som färgen rör sig i en vätska. Att lära sig av färgämnen har visat sig vara en framgångsrik väg mot att förstå kvantkoherens, som nyligen publicerats i tidskriften Nature. Spinns framväxande beteende ger inte bara ett kraftfullt klassiskt ramverk för att förstå kvantdynamik, men multi-defekt systemet ger en experimentell plattform för att utforska hur koherens fungerar också. Moore, NPQC-direktören och en medlem av teamet som tidigare har studerat andra typer av kvantdynamik, beskrev NPQC-plattformen som "ett unikt kontrollerbart exempel på samspelet mellan störningar, långdistans dipolära interaktioner mellan snurr, och kvantkoherens."

Dessa spindefekters koherenstider beror mycket på deras omedelbara omgivning. Många NPQC-genombrott har fokuserat på att skapa och kartlägga töjningskänsligheten i strukturen kring individuella defekter i diamant och andra material. Att göra det kan avslöja hur man bäst konstruerar defekter som har längsta möjliga koherenstider i 3D- och 2D-material. Men exakt hur kan de förändringar som krafter påtvingar själva materialet korrelera med förändringar i defektens koherens?

Att få reda på, NPQC-forskare utvecklar en teknik för att skapa deformerade områden i en värdkristall och mäta belastningen. "Om du tänker på atomer i ett gitter i termer av en boxfjäder, du får olika resultat beroende på hur du trycker på dem, sa Martin Holt, gruppledare inom elektron- och röntgenmikroskopi vid Argonne National Laboratory och huvudutredare med NPQC. Genom att använda den avancerade fotonkällan och centret för nanoskalamaterial, båda användarfaciliteterna vid Argonne National Laboratory, han och hans kollegor ger en direkt bild av de deformerade områdena i en värdkristall. Tills nu, en defekts orientering i ett prov har mestadels varit slumpmässig. Bilderna avslöjar vilka orienteringar som är mest känsliga, ger en lovande väg för högtrycks kvantavkänning.

"Det är verkligen vackert att du kan ta något som diamant och få nytta av det. Att ha något enkelt nog för att förstå den grundläggande fysiken men som också kan manipuleras tillräckligt för att göra komplex fysik är fantastiskt, sa Holt.

Ett annat mål för denna forskning är förmågan att överföra ett kvanttillstånd, som en defekt i diamant, koherent från en punkt till en annan med hjälp av elektroner. Arbete av NPQC-forskare vid Berkeley Lab och Argonne Lab studerar speciella kvanttrådar som förekommer i atomärt tunna lager av vissa material. Supraledning upptäcktes oväntat i ett sådant system, ett trippelskikt av kolskikt, av gruppen ledd av Feng Wang, en seniorforskare vid Berkeley Lab-fakulteten och professor vid UC Berkeley, och ledare för NPQC:s satsning på atomärt tunna material. Av detta arbete, publicerad i Natur under 2019, Wang sa, "Det faktum att samma material kan erbjuda både skyddad endimensionell ledning och supraledning öppnar upp några nya möjligheter för att skydda och överföra kvantkoherens."

Mot användbara enheter

Multidefektsystem är inte bara viktiga som grundläggande vetenskaplig kunskap. De har också potential att bli transformativa tekniker. I nya tvådimensionella material som banar väg för ultrasnabb elektronik och ultrastabila sensorer, NPQC-forskare undersöker hur spindefekter kan användas för att kontrollera materialets elektroniska och magnetiska egenskaper. De senaste fynden har bjudit på några överraskningar.

"En grundläggande förståelse för magnetiska material i nanoskala och deras tillämpningar inom spintronik har redan lett till en enorm omvandling av magnetiska lagrings- och sensorenheter. Att utnyttja kvantkoherens i magnetiska material kan vara nästa steg mot lågeffektelektronik, sa Peter Fischer, senior forskare och avdelningsställföreträdare i Materials Sciences Division vid Berkeley Lab.

Ett materials magnetiska egenskaper beror helt på inriktningen av spinn i intilliggande atomer. Till skillnad från de snyggt justerade snurrorna i en typisk kylskåpsmagnet eller magneterna som används i klassisk datalagring, antiferromagneter har intilliggande spinn som pekar i motsatta riktningar och effektivt eliminerar varandra. Som ett resultat, antiferromagneter "agerar" inte magnetiskt och är extremt robusta mot yttre störningar. Forskare har länge sökt sätt att använda dem i spinnbaserad elektronik, där information transporteras med spin istället för laddning. Nyckeln till att göra det är att hitta ett sätt att manipulera snurrorientering och bibehålla koherens.

2019 NPQC-forskare ledda av James Analytis, en fakultetsforskare vid Berkeley Lab och docent i fysik vid UC Berkeley, med postdoc Eran Maniv, observerade att applicering av en liten, en enda puls av elektrisk ström till små flingor av en antiferromagnet fick spinnen att rotera och "växla" sin orientering. Som ett resultat, materialets egenskaper kunde justeras extremt snabbt och exakt. "Att förstå fysiken bakom detta kommer att kräva mer experimentella observationer och lite teoretisk modellering, ", sa Maniv. "Nytt material kan hjälpa till att avslöja hur det fungerar. Det här är början på ett nytt forskningsfält."

Nu, forskarna arbetar med att lokalisera den exakta mekanismen som driver denna byte av material som tillverkats och karakteriserats vid Molecular Foundry, en användaranläggning på Berkeley Lab. De senaste fynden, publicerad i Science Advances och Nature Physics , föreslår att finjustering av defekterna i ett skiktat material kan ge ett tillförlitligt sätt att kontrollera spinnmönstret i nya enhetsplattformar. "Detta är ett anmärkningsvärt exempel på hur många defekter låter oss stabilisera en omkopplingsbar magnetisk struktur, sa Moore, NPQC-ledaren.

Spinna nya trådar

Under nästa verksamhetsår, NPQC kommer att bygga vidare på årets framsteg. Mål inkluderar att utforska hur flera defekter interagerar i tvådimensionella material och att undersöka nya typer av endimensionella strukturer som kan uppstå. Dessa lägre dimensionella strukturer skulle kunna visa sig vara sensorer för att detektera andra materials minsta skalliga egenskaper. Dessutom, fokus på hur elektriska strömmar kan manipulera spin-härledda magnetiska egenskaper kommer att direkt koppla fundamental vetenskap till tillämpad teknik.

Snabba framsteg i dessa uppgifter kräver en kombination av tekniker och expertis som bara kan skapas inom en stor samarbetsram. "Man utvecklar inte förmågor isolerat, ", sa Holt. "NPQC tillhandahåller den dynamiska forskningsmiljön som driver vetenskapen och utnyttjar vad varje labb eller anläggning gör." Forskningscentret ger samtidigt en unik utbildning vid vetenskapens gränser inklusive möjligheter att utveckla den vetenskapliga arbetsstyrkan som kommer att leda framtidens kvantindustri.

NPQC ger en ny uppsättning frågor och mål till studiet av kvantmaterials grundläggande fysik. Moore sa, "Kvantmekaniken styr beteendet hos elektroner i fasta ämnen, och detta beteende är grunden för mycket av den moderna tekniken vi tar för givet. Men vi är nu i början av den andra kvantrevolutionen, där egenskaper som koherens står i centrum, och att förstå hur man förbättrar dessa egenskaper öppnar en ny uppsättning frågor om material som vi kan svara på."