Coherent Optical Control of a Single Donor Electron Spin

Nella ricerca di un modo per costruire un internet quantistico, gli scienziati stanno cercando un modo per memorizzare l'informazione nella luce e nella materia. Immaginate una rete in cui i dati viaggiano come fotoni, le particelle di luce, ma devono fermarsi a nodi specifici per essere elaborati o ricordati. Affinché ciò funzioni, questi nodi necessitano di una memoria in grado di trattenere uno stato quantistico abbastanza a lungo da essere utile, pur interagendo con la luce abbastanza velocemente da inviare e ricevere informazioni. Un candidato promettente per questa memoria è lo spin di un singolo elettrone. Lo spin è una proprietà intrinseca di un elettrone, che si comporta come un piccolo magnete invisibile che può puntare in diverse direzioni. Se gli scienziati riuscissero a controllare questa direzione con la luce, potrebbero creare un ponte tra la memoria quantistica stazionaria e l'informazione quantistica in volo. Tuttavia, ottenere questo controllo in un materiale solido è difficile. L'ambiente è spesso troppo rumoroso, causando il collasso dello delicato stato quantistico prima che possa essere utilizzato. I ricercatori cercano da tempo un materiale che offra segnali ottici brillanti e chiari, proteggendo al contempo lo spin dell'elettrone dal caos degli atomi circostanti.

Un team di ricercatori ha ora dimostrato un passo avanti significativo domando lo spin di un singolo elettrone intrappolato all'interno di un cristallo di selenuro di zinco. Si sono concentrati su un tipo specifico di impurezza, un atomo di cloro inserito all'interno del materiale, che funge da trappola per un singolo elettrone. Questa configurazione crea un sistema in cui l'elettrone è legato all'atomo di cloro, formando una struttura stabile che può essere manipolata con i laser. I ricercatori hanno dimostrato con successo che possono usare la luce per preparare lo spin dell'elettrone, controllarne la direzione con estrema velocità e leggere il suo stato finale. Questo traguardo è degno di nota perché combina la capacità di vedere chiaramente l'elettrone con la capacità di controllarlo in modo coerente, il che significa che possono guidare lo spin senza perdere la delicata informazione quantistica che esso trasporta.

Il viaggio è iniziato con la creazione di un dispositivo minuscolo. Gli scienziati hanno fatto crescere uno strato sottile di selenuro di zinco, un materiale semiconduttore, tra strati di un materiale simile chiamato selenuro di zinco e magnesio. All'interno di questo strato sottile, hanno introdotto atomi di cloro a una densità così bassa che, statisticamente, solo uno o due apparirebbero in un piccolo pilastro che hanno scavato nel materiale. Questo pilastro, modellato come un palo e sormontato da una lente, è stato progettato per raccogliere la debole luce emessa dal singolo elettrone intrappolato nel sito del cloro. Quando hanno illuminato il campione con un laser, hanno osservato un colore specifico di luce proveniente da un singolo atomo di cloro, confermando che stavano osservando un singolo sistema isolato. Applicando un campo magnetico, hanno separato i livelli energetici dello spin dell'elettrone, creando due stati distinti che potevano essere indirizzati separatamente con la luce.

Per dimostrare di poter controllare lo spin, il team ha dovuto prima imparare come impostarlo in una posizione di partenza nota. Hanno utilizzato un processo chiamato pompaggio ottico, in cui hanno illuminato il campione con un laser sintonizzato su una frequenza specifica che ecciterebbe l'elettrone solo se si trovasse in un particolare stato di spin. Mentre l'elettrone assorbiva la luce e poi la riemetteva, aveva la possibilità di ricadere in uno dei due stati di spin. Ripetendo questo ciclo, hanno efficacemente filtrato gli elettroni, lasciando solo quelli nello stato desiderato. Una volta preparato lo spin, hanno misurato quanto tempo rimanesse in quello stato. Hanno scoperto che lo spin poteva rimanere nel suo stato per circa 18,5 microsecondi prima che qualcosa causasse un cambiamento. Fondamentalmente, hanno determinato che questo cambiamento non era dovuto al fatto che lo spin si invertisse da solo, il che sarebbe stato un limite fondamentale, ma piuttosto perché l'elettrone occasionalmente sfuggiva interamente alla trappola del cloro. Questa distinzione è vitale perché suggerisce che, se riuscissero a impedire all'elettrone di sfuggire, magari regolando i campi elettrici nel materiale, lo spin potrebbe durare molto più a lungo, potenzialmente per millisecondi.

Con lo spin inizializzato, i ricercatori si sono spostati sulla parte più impegnativa: guidarlo con la luce. Invece di utilizzare i laser lenti e costanti usati per la preparazione, hanno sparato impulsi di luce estremamente brevi, della durata di solo pochi trilionesimi di secondo. Questi impulsi erano sintonizzati su una frequenza leggermente diversa dalla risonanza naturale dell'elettrone, una tecnica che permette alla luce di influenzare lo spin senza effettivamente eccitare l'elettrone a un livello di energia superiore. Regolando la potenza di questi impulsi, potevano far ruotare lo spin. Lo hanno dimostrato creando un modello di oscillazioni, note come oscillazioni di Rabi, dove lo spin oscillava avanti e indietro tra i suoi due stati con un ritmo prevedibile. Ciò ha provato che potevano controllare lo spin con la stessa precisione di un quadrante, ruotandolo verso qualsiasi angolo desiderassero.

Per confermare che questo controllo fosse veramente quantistico e coerente, hanno eseguito un test più complesso chiamato interferenza di Ramsey. In questo esperimento, hanno applicato due brevi impulsi laser separati da una breve pausa. Durante la pausa, lo spin è stato lasciato libero di ruotare, come un giroscopio, sotto l'influenza del campo magnetico. Quando il secondo impulso è arrivato, ha rivelato quanto lo spin avesse ruotato durante quella pausa. I risultati hanno mostrato un chiaro schema ondulatorio, provando che lo spin manteneva la sua memoria quantistica durante il processo. Hanno misurato quanto durava questa memoria, trovando un tempo di coerenza di circa 22 nanosecondi. Sebbene questo sembri incredibilmente veloce, è una durata significativa per un elettrone in un materiale solido, e corrispondeva alle previsioni teoriche basate sull'interazione tra l'elettrone e i nuclei atomici circostanti.

Infine, il team ha esplorato la struttura più profonda di questo sistema osservando l'interazione tra l'elettrone e il nucleo dell'atomo di cloro stesso. Il nucleo del cloro ha il proprio spin, che agisce come un piccolo magnete che influenza l'elettrone. Aumentando la potenza dei loro impulsi laser, sono stati in grado di risolvere gli effetti sottili di questa interazione. Invece di vedere un singolo segnale, hanno osservato quattro caratteristiche distinte, corrispondenti alle diverse possibili orientazioni del nucleo di cloro. Questa osservazione ha rivelato che anche il nucleo poteva essere utilizzato come memoria, estendendo potenzialmente ulteriormente il tempo di archiviazione. La capacità di vedere e controllare queste interazioni iperfini suggerisce che questo singolo atomo potrebbe servire come memoria quantistica a più livelli, dove l'elettrone agisce come un processore veloce e il nucleo come un'unità di archiviazione a lungo termine.

Questo lavoro stabilisce una nuova piattaforma per la tecnologia quantistica, dimostrando che gli atomi donatori isolati nel selenuro di zinco possono servire come qubit robusti e otticamente attivi. I ricercatori hanno dimostrato di poter inizializzare, manipolare e leggere lo spin di un singolo elettrone con alta fedeltà, mantenendo al contempo la coerenza necessaria per le reti quantistiche. Sebbene rimangano delle sfide, come impedire all'elettrone di sfuggire alla trappola ed estendere il tempo di coerenza attraverso la purificazione del materiale, la strada da seguire è ora chiara. Combinando un accesso ottico efficiente con una memoria di spin a lungo termine, questi singoli donatori offrono una via promettente verso sistemi di informazione quantistica scalabili, trasformando un singolo atomo in un cristallo in un nodo funzionale per il futuro internet quantistico.