材料中の微視的なスピン密度の感知と制御

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電子デバイスは通常、電子の電荷を使用しますが、電子デバイスのもう 1 つの自由度であるスピンが利用され始めています。 スピン欠陥により、結晶材料は、超高感度量子センサー、量子メモリデバイス、または量子効果の物理学をシミュレートするシステムなどの量子ベースのデバイスにとって非常に有用になります。 半導体のスピン密度を変化させると、材料の新しい特性が得られる可能性があります。これは研究者が長い間研究したいと考えていたものですが、この密度は通常、一瞬でとらえどころがなく、したがって局所的に測定して制御するのが困難です。

今回、MITなどの研究チームは、外部レーザーまたはマイクロ波ビームを適用することで、ダイヤモンドのスピン密度を調整し、2倍に変化させる方法を発見した。 今週ジャーナルPNASで報告されたこの発見は、高度な量子デバイスの多くの新しい可能性を開く可能性があると著者らは述べています。 この論文は、MIT のパオラ・カペラロ教授とジュ・リー教授の現学生および元学生と、ミラノ工科大学の共同研究者との共同研究によるものです。 この論文の最初の著者である Guoqing Wang PhD '23 は、カペラロの研究室で博士論文に取り組み、現在は MIT の博士研究員です。

ダイヤモンドの窒素空孔 (NV) 中心として知られる特定のタイプのスピン欠陥は、さまざまな量子アプリケーションでの使用の可能性について最も広く研究されている系の 1 つです。 NV 中心のスピンは物理的、電気的、または光学的な外乱に敏感であるため、非常に高感度な検出器となる可能性があります。 「固体スピン欠陥は、最も有望な量子プラットフォームの 1 つです」と Wang 氏は言います。その理由の 1 つは、それらが室温条件下で動作できるためです。 他の多くの量子システムには、超低温環境またはその他の特殊な環境が必要です。

「NVセンターのナノスケールセンシング能力により、NVセンターはスピン環境のダイナミクスを調査し、まだ理解されていない豊富な量子多くの物体物理学を明らかにすることが期待できます」とワン氏は付け加えた。 「P1中心と呼ばれる環境中の主要なスピン欠陥は、通常、NV中心よりも10倍から100倍多く存在するため、より強い相互作用があり、多体物理の研究に理想的です。」

しかし、それらの相互作用を調整するには、科学者はスピン密度を変更できる必要がありますが、これまではほとんど達成されていませんでした。 この新しいアプローチにより、スピン密度を調整できるため、このようなシステムを実際に調整するための潜在的なノブが提供されます。 それが私たちの仕事の重要な新しさです。」

このような調整可能なシステムは、量子流体力学を研究するためのより柔軟な方法を提供する可能性がある、とワン氏は言う。 さらにすぐに、この新しいプロセスは、感度を向上させる方法として、いくつかの既存のナノスケール量子センシングデバイスに適用される可能性があります。

マサチューセッツ工科大学の核科学工学部と材料科学工学部の兼務を務めるリー氏は、今日のコンピューターと情報処理システムはすべて電荷の制御と検出に基づいているが、いくつかの革新的なデバイスではその利用が始まっていると説明する。スピンと呼ばれる性質。 たとえば、半導体企業インテルは、スピンと電荷を結合させる新しい種類のトランジスタの実験を行っており、スピントロニクスに基づくデバイスへの道を開く可能性があります。

「従来の CMOS トランジスタは多くのエネルギーを消費します。しかし、この Intel 設計のようにスピンを使用すれば、エネルギー消費を大幅に削減できます。」と Li 氏は言います。 同社はまた、量子コンピューティング用の固体スピン量子ビットデバイスも開発しており、「スピンはエネルギー効率が高く、量子情報の伝達手段でもあるため、人々が固体で制御したいと考えているものである」としている。