Cavity-assisted dynamic nuclear polarisation

In de stille, ijzige wereld van de kwantumfysica worstelen wetenschappers vaak met een probleem van zichtbaarheid. Om de minuscule magnetische eigenschappen van atomen te bestuderen, vertrouwen onderzoekers op een techniek genaand kernmagnetische resonantie, die het beste werkt wanneer de atomen in dezelfde richting staan uitgelijnd, een toestand die bekendstaat als polarisatie. Echter, bij de extreem lage temperaturen die nodig zijn voor deze experimenten, zijn de atomen meestal zo door warmte verstoord dat ze in willekeurige richtingen wijzen, waardoor ze bijna onmogelijk te detecteren zijn. Om dit op te lossen, hebben wetenschappers lang geprobeerd de atomen te dwingen tot uitlijning, vaak door complexe chemische trucs te gebruiken of door ze verder af te koelen. Maar in de specifieke omgeving van supergeleidende circuits die worden gebruikt voor kwantumcomputing, waar de temperatuur zo laag is dat geluidsgolven geen energie meer kunnen afvoeren, falen deze traditionele methoden vaak. De uitdaging is om een nieuwe manier te vinden om deze atomaire spins uit te lijnen zonder te vertrouwen op de gebruikelijke koelmechanismen die bevroren zijn.

Een team onderzoekers in Frankrijk heeft nu een nieuwe methode gedemonstreerd om dit probleem op te lossen door een microgolfcaviteit te gebruiken die fungeert als eenrichtingsverkeer voor energie. Ze werkten met een verzameling bismuthatomen ingebed in een chip van ultra-zuiver silicium. Elk bismuthatoom werkt als een klein magneetje met twee onderdelen: een elektronspin en een kernspin. De elektronspin is gemakkelijker te controleren, terwijl de kernspin de spin is die wetenschappers willen uitlijnen om informatie op te slaan. De onderzoekers plaatsten deze atomen nabij een supergeleidende resonator, een apparaat dat microgolflicht kan vangen. Door de frequentie van deze resonator zorgvuldig af te stemmen, creëerden ze een speciale conditie waarbij de elektronspin zijn energie veel sneller kon afgeven als een microgolffoton dan hij normaal gesproken zou doen. Dit fenomeen, bekend als het Purcell-effect, voert effectief de energie uit het elektron af, waardoor het in een specifieke lage energietoestand wordt gedwongen.

Het experiment omvatte een slim, stapsgewijs proces om de uitlijning van het elektron naar de kern te verplaatsen. Eerst gebruikten de onderzoekers een microgolfpuls om de toestand van het elektron te wisselen met een specifieke kerntoestand. Vervolgens gebruikten ze een radiofrequentiepuls om de kerntoestand te wisselen met een naburige toestand. Ten slotte lieten ze het elektron terugkeren naar zijn startpunt door een foton uit te stralen in de resonator. Omdat het elektron werd gedwongen om in een specifieke toestand te zakken, bleef de kernspin achter in een nieuwe, uitgelijnde configuratie. Door deze cyclus acht keer te herhalen, waarbij de populatie van atomen stap voor stap naar één enkele doeltoestand werd verplaatst, waren zij in staat de atomen in één richting te concentreren. Het resultaat was een aanzienlijke toename van het aantal atomen die dezelfde kant op wezen, wat de signaalsterkte met een factor 4,6 verhoogde ten opzichte van het startpunt.

Hoewel het team een sterke verbetering bereikte, ontdekten zij dat het proces de perfecte theoretische limiet van negen keer het oorspronkelijke signaal niet bereikte. Ze ontdekten dat naarmate er meer atomen zich ophoopten in de doeltoestand, het mechanisme dat hielp bij de uitlijning zelf begon te vertragen. De atomen begonnen met elkaar te interageren via de resonator, wat een collectief effect creëerde dat het moeilijker maakte voor het elektron om zijn energie af te geven. Daarnaast lekten sommige atomen uit de doeltoestand door natuurlijke interacties tussen de spins. Ondanks deze beperkingen bevestigden de onderzoekers dat hun methode werkt, zelfs wanneer de gebruikelijke koelmechanismen bevroren zijn. Dit succes suggereert dat door de manier waarop atomen met hun elektromagnetische omgeving interageren te manipuleren, wetenschappers krachtigere kwantumgeheugens kunnen creëren en de gevoeligheid van magnetische resonantiedetectie kunnen verbeteren, wat een pad opent naar een helderder beeld van de kwantumwereld.