Credit: Cornell University

Impiego esclusivo dell’acustica

Gli elettroni sono in balia dei campi magnetici che gli scienziati possono manipolare per controllare gli elettroni e il loro momento angolare – cioè il loro “spin“. Un team della Cornell, guidato da Greg Fuchs, assistente professore di fisica applicata e di ingegneria al College of Engineering, nel 2013 ha inventato un nuovo modo per esercitare questo controllo utilizzando onde acustiche generate da risonatori meccanici. Questo approccio ha permesso al team di controllare le transizioni di spin degli elettroni (note anche come risonanze di spin) che altrimenti non sarebbero state possibili attraverso il comportamento magnetico convenzionale.

La scoperta è stata una manna per chiunque volesse costruire sensori quantistici del tipo usato nei dispositivi di navigazione mobile. Tuttavia, tali dispositivi richiedevano ancora un’ingombrante antenna magnetica per pilotare determinate transizioni di spin.

Ora, il gruppo di Fuchs ha dimostrato che queste transizioni possono essere guidate esclusivamente dall’acustica. Ciò elimina la necessità dell’antenna magnetica, consentendo agli ingegneri di costruire sensori acustici più piccoli e più efficienti in termini di potenza, che possono essere impacchettati più strettamente su un singolo dispositivo.

Il documento del team, “Acoustically Driving the Single Quantum Spin Transition of Diamond Nitrogen-Vacancy Centers“, pubblicato il 27 maggio su Physical Review Applied.

È possibile utilizzare un campo magnetico per guidare queste transizioni di spin, ma un campo magnetico è in realtà un oggetto molto esteso e grande“, ha detto Fuchs. “Al contrario, le onde acustiche possono essere molto limitate. Quindi, se state pensando di controllare diverse regioni di spin all’interno del vostro chip, localmente e in modo indipendente, allora farlo con onde acustiche è un approccio sensato“.

Credit: Cornell University

Per pilotare le transizioni di spin degli elettroni, Fuchs e Huiyao Chen ’20, l’autore principale dell’articolo, ha utilizzato centri a vapori di azoto (NV), che sono imperfezioni nel reticolo cristallino di un diamante. I risonatori acustici sono dispositivi microelettromeccanici (MEMS) dotati di un trasduttore. Quando viene applicata la tensione, il dispositivo vibra, inviando onde acustiche di 2 o 3 gigahertz nel cristallo. Queste frequenze causano tensione e stress nell’imperfezione, che si traduce in risonanza di spin dell’elettrone.

Superata anche una complicazione

Una complicazione: Questo processo eccita anche il campo magnetico, quindi i ricercatori non sono mai stati del tutto sicuri dell’effetto delle vibrazioni meccaniche rispetto all’effetto delle oscillazioni magnetiche. Così Fuchs e Chen si sono prefissati di misurare accuratamente l’accoppiamento tra le onde acustiche e la transizione di spin e di confrontarlo con i calcoli proposti dai fisici teorici.

Siamo stati in grado di stabilire separatamente la parte magnetica e la parte acustica e, quindi, di misurare quel coefficiente sconosciuto che determina quanto fortemente si accoppia la singola transizione quantistica alle onde acustiche“, ha detto Fuchs. “La risposta è stata, con nostra sorpresa e soddisfazione, che si tratta di un ordine di grandezza più grande del previsto. Ciò significa che è possibile progettare dispositivi di risonanza di rotazione completamente acustici che sarebbero eccellenti sensori del campo magnetico, per esempio, ma non è necessario un campo di controllo magnetico per farli funzionare“.

Ambiti di applicazione

Fuchs sta lavorando con il Cornell’s Center for Technology Licensing per brevettare la scoperta, che potrebbe avere importanti applicazioni nella tecnologia di navigazione.

C’è uno sforzo significativo a livello nazionale per realizzare sensori di campo magnetico altamente stabili con i diamond NV centers“, ha detto Fuchs. “La gente sta già costruendo questi dispositivi basati sulla risonanza magnetica convenzionale utilizzando antenne magnetiche. Penso che la nostra scoperta avrà un enorme vantaggio in termini di compattezza e di capacità di realizzare sensori indipendenti e strettamente distanziati“.

Sunil Bhave, professore di ingegneria elettrica e informatica alla Purdue University, ha contribuito al lavoro. La ricerca è stata sostenuta dalla Defense Advanced Research Projects Agency e dall’Office of Naval Research.

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