Coherent electric field manipulation of nuclear spin qudit
Questo articolo dimostra che il drogaggio di ZnO con Mn2+ consente un controllo efficiente e universale tramite campo elettrico dei qudit di spin nucleare, sfruttando gli spin elettronici accoppiati per interazione iperfine in un ospite ossido altamente polarizzabile, superando così il debole accoppiamento con il campo elettrico tipico dei convenzionali sistemi semiconduttori.
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Immagina di cercare di costruire un computer super veloce che non usi l'elettricità come il tuo laptop, ma che invece utilizzi gli "spin" minuscoli e invisibili degli atomi come i suoi interruttori. Questi spin atomici sono come dei piccoli trottoloni che possono puntare in direzioni diverse per memorizzare informazioni. Il problema è che questi trottoloni sono incredibilmente testardi. Di solito, per farli girare o cambiare direzione, gli scienziati devono usare magneti giganti e ingombranti. Tuttavia, i magneti sono difficili da rimpicciolire fino alle dimensioni di un singolo atomo e non possono essere facilmente cablati all'interno di un minuscolo chip per computer.
È qui che entra in gioco l'idea di usare l'elettricità invece del magnetismo. È come cercare di spingere un'altalena: puoi spingerla con un magnete gigante da lontano (difficile da mirare), oppure puoi darle una leggera, precisa spinta con la mano (facile da controllare). Nel mondo dell'informatica quantistica, gli scienziati hanno cercato di trovare un modo per "dare una spinta" a questi spin atomici usando campi elettrici. Tuttavia, per molto tempo, gli spin nei materiali comuni sono stati come grossi massi scivolosi che si muovevano appena quando venivano spinti dall'elettricità. Avevano bisogno di campi elettrici massicci e potenti solo per muoversi di un pochino, rendendoli troppo lenti ed inefficienti per un vero computer. La grande domanda è stata: possiamo trovare un materiale in cui questi spin atomici siano come palline leggere e rimbalzanti che saltano quando ricevano un leggero tocco elettrico?
È esattamente ciò che un team di ricercatori di Oxford, KAIST e della Queen Mary University of London si è messo in viaggio per scoprire. Hanno deciso di smettere di cercare i soliti sospetti e hanno invece provato un tipo speciale di materiale chiamato ossido, nello specifico l'ossido di zinco (ZnO) drogato con un pizzico di manganese. Pensa all'ossido di zinco come a un reticolo cristallino, una griglia rigida di atomi, e immagina di far cadere un atomo di manganese in esso come una biglia colorata in una scatola di biglie trasparenti.
I ricercatori hanno scoperto qualcosa di incredibile. In questo cristallo specifico, l'atomo di manganese agisce come un agente doppio. Ha uno "spin nucleare" (la parte che memorizza l'informazione) e uno "spin elettronico" (una parte aiutante). Di solito, i campi elettrici ignorano lo spin nucleare, ma in questo cristallo, lo spin elettronico è super sensibile all'elettricità. Quando i ricercatori hanno applicato un campo elettrico, lo spin elettronico è iniziato a saltellare selvaggiamente e, poiché stringeva forte la mano allo spin nucleare, lo ha trascinato con sé. È come se lo spin nucleare fosse un ballerino timido che si rifiuta di muoversi, ma lo spin elettronico fosse un partner energico che gli afferra la mano e lo fa ruotare senza sforzo.
Usando questo trucco, il team ha dimostrato di poter controllare lo spin nucleare usando solo un singolo campo elettrico, senza avere bisogno di alcun magnete. Hanno dimostrato due modi per farlo: un modo "risonante", dove si tocca lo spin con il giusto ritmo per farlo capovolgere, e un modo "non risonante", dove si usa il campo elettrico per torcere delicatamente la direzione dello spin. Hanno scoperto che questo controllo elettrico era veloce quanto, e in alcuni casi anche più veloce, dei metodi magnetici tradizionali.
Il documento ha anche rivelato che questo metodo permette di eseguire "gate" complessi (le operazioni logiche di un computer) su questi spin. Poiché il nucleo di manganese può esistere in più di due stati (come una moneta che ha testa o croce), può effettivamente contenere più informazioni, agendo come un "qudit" invece di un semplice "qubit". Ciò significa che un singolo atomo potrebbe potenzialmente fare il lavoro di diversi altri, rendendo i futuri computer molto più efficienti.
Sebbene i ricercatori abbiano notato che gli spin alla fine si stancano e smettono di girare (un processo chiamato decoerenza), hanno dimostrato che questo può essere risolto mantenendo il sistema molto freddo. Hanno anche suggerito che, pulendo il cristallo per rimuovere altri atomi rumorosi, gli spin potrebbero rimanere coerenti per ancora più tempo. In definitiva, questo lavoro suggerisce che scegliendo i materiali giusti — come questi ossidi speciali — potremmo essere in grado di costruire computer quantistici controllati interamente dall'elettricità, rendendoli più facili da rimpicciolire e cablare per la prossima generazione di tecnologia.
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