Un método elegante para la detección de espines individuales mediante fotovoltaje
Esto podría conducir a un diseño mucho más compacto de los sensores cuánticos
Los diamantes con determinados defectos ópticamente activos pueden utilizarse como sensores de alta sensibilidad o qubits para ordenadores cuánticos, en los que la información cuántica se almacena en el estado de espín electrónico de estos centros de color. Sin embargo, los estados de espín deben leerse ópticamente, lo que a menudo resulta complejo desde el punto de vista experimental. Ahora, un equipo del HZB ha desarrollado un elegante método que utiliza un fotovoltaje para detectar los estados de espín individuales y locales de estos defectos. Esto podría conducir a un diseño mucho más compacto de sensores cuánticos.
Los defectos en los sólidos suelen ser indeseables, pero también pueden ofrecer nuevas y maravillosas oportunidades, por ejemplo en los diamantes: Aquí se pueden introducir centros de vacantes de nitrógeno (centros NV) cuyos estados de espín se pueden manipular con microondas. La información de un solo espín puede leerse con luz. De este modo, los diamantes dopados con NV pueden utilizarse no sólo como sensores de alta sensibilidad, sino también como qubits para ordenadores cuánticos.
Hasta ahora: detección óptica
Sin embargo, para determinar el estado de cada espín individual, hay que medir los fotones emitidos por el centro de color (portador del espín). Dado que sólo se emiten fotones individuales cuando los espines giran, esta señal es muy débil, lo que hace necesario un complejo montaje experimental para la detección.
Ahora: fotovoltaje medido por KPFM
Un equipo del HZB ha presentado un nuevo método para resolver este problema. La idea era que estos centros defectuosos no sólo poseen un estado de espín, sino también carga eléctrica", explica Boris Naydenov. Para sondear estas cargas, modificaron una variante de la microscopía de fuerza atómica conocida como microscopía de fuerza con sonda Kelvin (KPFM): en este proceso, un láser excita los centros NV, generando portadores de carga libres que son capturados por estados superficiales y producen así un voltaje medible alrededor de un centro NV.
Captar la dinámica del espín
La fototensión depende del estado de espín del electrón del centro NV, por lo que podemos leer el espín individual", explica Sergei Trofimov, que realizó las mediciones como parte de su proyecto de doctorado. Además, con el nuevo método es posible incluso captar la dinámica del espín manipulando coherentemente los estados de espín mediante excitación por microondas".
Perspectiva: dispositivos diminutos basados en diamante
Esto abriría el camino al desarrollo de dispositivos basados en diamante realmente diminutos y compactos, ya que todo lo que se necesita son contactos adecuados en lugar de complejas ópticas microscópicas y detectores monofotónicos", afirma el profesor Klaus Lips, jefe del departamento de Espín en Conversión de Energía y Ciencia de la Información Cuántica. El método de lectura recién desarrollado también podría utilizarse en otros sistemas de física del estado sólido en los que se haya observado resonancia de espín electrónico de defectos de espín", estima Lips.
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