I ricercatori sviluppano un nuovo metodo per controllare e misurare i livelli di energia in un cristallo di diamante

Fisici e ingegneri sono da tempo interessati a creare nuove forme di materia, che di solito non si trovano in natura. Tali materiali potrebbero un giorno trovare impiego, ad esempio, in nuovi chip per computer. Oltre alle applicazioni, rivelano anche intuizioni inverosimili sul funzionamento fondamentale dell’universo. Il lavoro recente al MIT ha creato e caratterizzato nuovi sistemi quantistici che dimostrano simmetria dinamica, alcuni tipi di comportamento che si ripetono periodicamente, come la forma piegata e la riflessione nel tempo.

“Ci sono due problemi che dobbiamo risolvere”, afferma Changhao Li, uno studente laureato nel laboratorio di Paola Cappellaro, professore di scienze e ingegneria nucleare. Il mio lavoro è stato recentemente pubblicato su messaggi di revisione fisica, insieme a Capellaro e al compagno di studi Guoqing Wang. “Il primo problema era che abbiamo bisogno di progettare un tale sistema. E secondo, come lo caratterizziamo? Come osserviamo questa simmetria?”

Concretamente, il sistema quantistico è costituito da un cristallo di diamante del diametro di un millimetro. Il cristallo ha molti difetti causati da a atomo di azoto Accanto al divario nella rete – il cosiddetto centro di azoto vacante. Proprio come l’elettrone, ogni centro ha una proprietà quantistica chiamata spin, con due separati livelli di energia. Poiché il sistema è un sistema quantistico, gli spin possono essere trovati non solo in uno dei livelli, ma anche in una miscela di entrambi i livelli energetici, come il gatto di Schrödinger teorico, che può essere sia vivo che morto allo stesso tempo.

Il livello di energia del sistema è determinato dall’hamiltoniano, la cui dipendenza dal tempo periodico è stata modellata dai ricercatori controllando le microonde. Si è detto che un sistema ha simmetria dinamica se la sua Hamiltoniana è la stessa non solo dopo ogni t di tempo ma anche dopo, diciamo, ogni t/2 o t/3, come piegare un pezzo di carta a metà o in terzi così che non sporga quale parte. George Engelhardt, un postdoc in Computational Science Research a Pechino che non è stato coinvolto in questo lavoro, ma il suo lavoro teorico come fondamento, paragona la simmetria alle armoniche della chitarra, dove una corda può vibrare sia a 100 Hz che a 50 Hz.

Per indurre e monitorare tale simmetria dinamica, il team del MIT ha prima inizializzato il sistema con un impulso laser. Quindi hanno diretto diverse frequenze di radiazione a microonde su di esso e lo hanno lasciato evolvere, permettendogli di assorbire ed emettere energia. “La cosa sorprendente è che quando aggiungi una leadership del genere, possono emergere alcuni fenomeni davvero interessanti”, afferma Lee. “Avrà delle vibrazioni periodiche.” Alla fine, lo hanno chiamato un altro impulso laser e hanno misurato la luce visibile con cui brilla, per misurare il suo stato. La misurazione era solo un’istantanea, quindi hanno ripetuto l’esperimento più volte per mettere insieme una sorta di tascabile che ne ha segnato il comportamento nel tempo.

“La cosa impressionante è che possono dimostrare di avere un controllo così straordinario su Sistema quantistico“È molto facile risolvere l’equazione, ma è molto difficile realizzarla nell’esperienza”, afferma Engelhardt.

Fondamentalmente, i ricercatori notano che la simmetria hamiltoniana dinamica – le armonie del livello di energia del sistema – determina le transizioni che possono verificarsi tra uno stato e l’altro. “La novità di questo lavoro è anche che forniamo uno strumento che può essere utilizzato per descrivere qualsiasi piattaforma di informazioni quantitative, non solo i centri di azoto nei diamanti. È ampiamente applicabile”, afferma Wang. Lee osserva che il loro metodo è più semplice dei metodi precedenti, quelli che richiedevano impulsi laser costanti per guidare e misurare il movimento periodico del sistema.

Un’applicazione ingegneristica è nei computer quantistici, sistemi che si occupano di qubit, qubit che possono essere non solo 0 o 1, ma una combinazione di 0 e 1. Lo spin di un diamante può codificare un singolo qubit nei suoi due livelli di energia.

I qubit sono sensibili: si disintegrano facilmente in un semplice bit, 1 o 0. Oppure un qubit può diventare una combinazione errata di 0 e 1. “Questi strumenti possono essere utilizzati per misurare le simmetrie dinamiche”, afferma Engelhart, convalidando la messa a punto del tuo esperimento e con un’accuratezza molto elevata.” Nota il problema delle perturbazioni esterne nei computer quantistici, che paragona a una chitarra non accordata. Regolando la tensione delle corde – sintonizzando la radiazione a microonde – in modo che le armoniche soddisfino alcuni requisiti teorici di simmetria, si può essere sicuri che l’esperimento è perfettamente calibrato.

Il team del MIT ha già messo gli occhi su estensioni di questo lavoro. “Il prossimo passo è applicare il nostro metodo a sistemi più complessi e studiare la fisica più interessante”, afferma Lee. È mirato a più di due livelli di energia: tre, 10 o più. Con più livelli di energia, possono rappresentare più qubit. “Quando hai più qubit, hai simmetrie più complesse”, dice Lee. “E puoi caratterizzarli usando il nostro metodo qui.”

Questa storia è stata ripubblicata con il permesso di MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un popolare sito di notizie relative a ricerca, innovazione e insegnamento al MIT.