Optical characterization of excited-state spin Hamiltonians and clock transitions at telecommunication wavelength in Tm3+:YAlO3
Questo articolo caratterizza le proprietà magnetiche e stabilisce gli hamiltoniani di spin per i livelli Stark più bassi dei manifold 3F4 e 3H4 in Tm3+:YAlO3 per predire transizioni di orologio ottico a lunghezze d'onda di telecomunicazione, con l'obiettivo di migliorare i tempi di coerenza ottica per applicazioni quantistiche.
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Nel mondo silenzioso e ultra-freddo della fisica quantistica, gli scienziati sono costantemente alla ricerca di modi per far sì che l'informazione duri più a lungo. Immaginate di cercare di mantenere un pensiero delicato nella vostra mente mentre una folla rumorosa urla intorno a voi; il pensiero svanisce rapidamente. Nel regno quantistico, questa "folla" è spesso composta da minuscoli campi magnetici fluttuanti che confondono l'informazione memorizzata negli atomi. Per costruire il futuro delle comunicazioni sicure e dei computer potenti, i ricercatori hanno bisogno di atomi che possano trattenere il proprio stato quantistico per un lungo periodo, anche quando l'ambiente non è perfettamente immobile. Un modo promettente per proteggere questi atomi è trovare un'impostazione speciale, una sorta di "punto dolce" magnetico, dove l'atomo diventa temporaneamente sordo al rumore circostante. Questo concetto si basa sulla comprensione esatta di come le parti interne di un atomo reagiscono alle forze magnetiche, un compito che richiede la mappatura del paesaggio energetico dell'atomo con estrema precisione.
Un team di ricercatori dell'Università di Ginevra e dell'Istituto Paul Scherrer ha compiuto un passo significativo verso questo obiettivo studiando un tipo specifico di atomo: lo ione thulium, che è inserito all'interno di un cristallo fatto di perovskite di ittrio e alluminio. Questi ioni sono speciali perché possono interagire con la luce a una lunghezza d'onda di circa 1451 nanometri, un colore che viaggia molto efficientemente attraverso i cavi a fibra ottica utilizzati per l'internet globale e le telecomunicazioni. Sebbene gli scienziati sapessero già che questi ioni potevano memorizzare informazioni basate sulla luce, la memoria era a breve durata, durando solo pochi microsecondi prima che il rumore magnetico del cristallo facesse svanire l'informazione. I ricercatori volevano capire esattamente perché ciò accadeva e, cosa più importante, come fermarlo. Si sono concentrati sui due livelli di energia eccitati dello ione thulium che sono connessi da questa luce telecomunicativa, con l'obiettivo di mappare le invisibili regole magnetiche che governano il modo in cui questi livelli si spostano e si dividono quando esposti a un campo magnetico.
Per farlo, il team ha posto un piccolo cristallo contenente gli ioni thulium all'interno di una macchina che lo ha raffreddato fino a quasi lo zero assoluto, una temperatura appena superiore al punto in cui tutto il movimento molecolare si arresta. Hanno poi applicato un campo magnetico forte e uniforme al cristallo, cambiando con cura sia l'intensità del campo che la direzione in cui esso puntava. Utilizzando un laser preciso, hanno creato piccoli "vuoti" nella capacità del cristallo di assorbire la luce a frequenze specifiche. Osservando come le posizioni di questi vuoti si muovevano e come si dividevano al variare del campo magnetico, i ricercatori potevano dedurre le proprietà magnetiche nascoste degli atomi all'interno. Era come ascoltare il tono di una campana cambiare mentre la si colpisce con diverse forze e da diverse angolazioni per capire esattamente di che materiale sia fatta la campana.
Le misurazioni hanno rivelato una mappa dettagliata di come si comportano gli ioni thulium. Il team ha scoperto che il campo magnetico causa uno spostamento degli livelli energetici degli oni in modo prevedibile, ma l'entità di questo spostamento dipende fortemente dalla direzione del campo rispetto alla struttura interna del cristallo. Hanno calcolato i valori specifici che descrivono come lo spin elettronico e nucleare dello ione thulium interagiscono con il campo magnetico, creando una descrizione matematica completa nota come Hamiltoniana di spin. Questa descrizione funge da progetto, permettendo agli scienziati di prevedere esattamente come l'atomo reagirà a qualsiasi campo magnetico che possa applicare in futuro. Fondamentalmente, hanno scoperto che l'interazione tra l'elettrone e il nucleo è molto più forte di quanto suggerissero alcuni calcoli precedenti, una scoperta che evidenzia come la forma unica dell'ambiente cristallino alteri il comportamento dell'atomo.
Con questo nuovo progetto in mano, i ricercatori hanno previsto l'esistenza di "transizioni di orologio ottico". Queste sono combinazioni molto specifiche di intensità e direzione del campo magnetico dove la frequenza della luce assorbita dall'atomo diventa quasi completamente immune alle piccole fluttuazioni del campo magnetico. In questi punti speciali, l'atomo è effettivamente schermato dal rumore che di solito distrugge l'informazione quantistica. Il team ha identificato diversi di tali punti, incluso uno in cui l'intensità del campo magnetico è di circa 30,88 millitesla e punta in una direzione specifica. In questa impostazione precisa, la sensibilità dell'atomo al rumore magnetico scende drasticamente, suggerendo che il tempo di memoria potrebbe essere esteso di oltre un fattore tredici rispetto ad altre impostazioni.
Questo lavoro non dimostra ancora che si possano costruire memorie a lunga durata, ma fornisce la tabella di marcia essenziale per farlo. Identificando le condizioni esatte in cui gli ioni thulium diventano stabili, lo studio apre una via chiara verso la creazione di memorie quantistiche e sorgenti di singoli fotoni che operano a lunghezze d'onda di telecomunicazione. Se gli ingegneri riusciranno a costruire dispositivi che operano a questi "punti di orologio" previsti, potrebbero finalmente sbloccare il potenziale di reti quantistiche che si estendano su lunghe distanze, utilizzando l'esistente infrastruttura a fibra ottica per trasmettere informazioni che siano sia sicure che indistinguibili dalla luce che usiamo ogni giorno.
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