Flux channeling induced nano-confinement and enhancement of microwaves imaged by Rabi oscillation mapping

Stel je de wereld van minuscule computers voor, het soort dat belooft problemen op te lossen die onmogelijk zijn voor de machines van vandaag. Dit zijn quantumcomputers, en zij vertrouwen op "qubits"—extreem gevoelige stukjes informatie die tegelijkertijd in meerdere toestanden kunnen bestaan. Maar deze qubits zijn als delicate glazen sculpturen; ze moeten met extreme precisie worden gecontroleerd met behulp van onzichtbare energiegolven die microgolven worden genoemd. Het probleem is dat het ontzettend moeilijk is om die golven precies de juiste qubit te laten raken zonder de buren te verstoren. Het is alsof je probeert een geheim toe te fluisteren aan één persoon in een vol stadion zonder dat het geluid overal naartoe echoot. Wetenschappers zoeken al een manier om deze golven te "trechteren", om ze in een strakke straal te kanaliseren die alleen het doelwit raakt. Hier komen een speciaal soort magnetisch materiaal en een minuscuul diamantdefect om de hoek kijken, die een potentiële nieuwe manier bieden om deze onzichtbare golven met chirurgische precisie te sturen.

In dit onderzoek ontdekten onderzoekers van Northeastern University en Pennsylvania State University een slimme manier om precies dat te doen: ze gebruikten een piepklein magnetisch draadje om te fungeren als een lens voor microgolven, waardoor de energie werd geconcentreerd in een superklein puntje. Ze testten dit met een "super-spion" binnenin een diamant, een Nitrogen-Vacancy (NV) centrum. Denk aan het NV-centrum als een microscopische, ultra-gevoelige radio-ontvanger die je precies kan vertellen hoe sterk een microgolfsignaal is op zijn specifieke locatie. Door deze diamantsonde over een minuscuul draadje van Permalloy (een nikkel-ijzerlegering) te scannen, bracht het team in kaart hoe het magnetische veld zich gedroeg. Ze ontdekten dat het draadje de microgolven niet alleen doorliet; het greep ze vast en perste ze samen in een smal kanaal, waardoor het signaal op sommige plekken veel sterker en op andere plekken zwakker werd.

De resultaten waren behoorlijk spectaculair. Het team liet zien dat ze microgolven met een golflengte van ongeveer 100 millimeter konden concentreren in een gebied kleiner dan 300 nanometer (dat is minder dan de breedte van een menselijk haar). In deze kleine "hot spots" werd de kracht van het microgolfveld tot wel 16 keer versterkt. Dit betekent dat je om hetzelfde effect op een qubit te bereiken, slechts een fractie van de energie nodig zou hebben die je normaal gesproken zou gebruiken. De onderzoekers controleerden ook of deze magnetische truc de delicate qubit zou beschadigen. Ze maten hoe lang de qubit "coherent" kon blijven (het behouden van zijn quantumtoestand) en ontdekten dat het magnetische draadje dit niet verslechterde. Sterker nog, de qubit bleef net zo gezond als toen het draadje niet in de buurt was.

Om te begrijpen waarom dit gebeurde, voerde het team computersimulaties uit die fungeerden als een virtuele windtunnel voor magnetische velden. Deze simulaties onthulden dat het draadje zijn eigen kleine magnetische "stray field" (afwijkend veld) creëert. Wanneer dit afwijkende veld samenkomt met de binnenkomende microgolf, werken ze ofwel samen (constructieve interferentie) om een grotere golf te maken, of ze vechten tegen elkaar (destructieve interferentie) om elkaar op te heffen. Dit verklaart het patroon van sterke en zwakke plekken dat ze in hun kaarten zagen. Het effect was zo robuust dat het werkte over een breed scala aan vermogensniveaus en gelokaliseerd bleef, zelfs wanneer de diamantsonde iets van het draadje werd opgetild.

De onderzoekers merken er voorzichtig bij op dat hoewel dit een veelbelovend bewijs van concept is, het nog geen afgewerkt product is. Ze suggereren dat toekomstige verbeteringen kunnen voortkomen uit het veranderen van de vorm van het draadje of het gebruik van andere materialen die geen energie verspillen als warmte. Ze wijzen er ook op dat deze methode niet de complexe afstemming van magnetische velden vereist die andere technieken nodig hebben, wat het een potentieel eenvoudiger hulpmiddel maakt voor de toekomst. Uiteindelijk opent dit werk een nieuwe deur voor het besturen van qubits en het versterken van signalen in kleine elektronische apparaten, wat een manier biedt om microgolfenergie precies daar te focussen waar dat nodig is, zonder de gebruikelijke bijwerkingen.