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El nitruro de boro con un giro podría conducir a una nueva forma de hacer Qubits – Centro de noticias

Lograr escalabilidad en procesadores cuánticos, sensores y redes requiere dispositivos novedosos que se manipulen fácilmente entre dos estados cuánticos. Un equipo dirigido por investigadores del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley del Departamento de Energía (Berkeley Lab) ahora ha desarrollado un método, utilizando un material en capas cristalinas «retorcidas» de estado sólido, que da lugar a pequeños puntos emisores de luz llamados centros de color. Estos centros de color se pueden encender y apagar con la simple aplicación de un voltaje externo.

“Este es un primer paso hacia un dispositivo de centro de color que los ingenieros podrían construir o adaptar a sistemas cuánticos reales”, dijo shaul aloni, científico del personal de Molecular Foundry de Berkeley Lab, quien codirigió el estudio. El trabajo está detallado en el diario. Materiales de la naturaleza.

Por ejemplo, la investigación podría conducir a una nueva forma de crear bits cuánticos, o qubits, que codifican información en computadoras cuánticas.

Los centros de color son defectos microscópicos en un cristal, como el diamante, que normalmente emiten una luz brillante y estable de un color específico cuando se golpea con un láser u otra fuente de energía, como un haz de electrones. Su integración con guías de ondas, dispositivos que guían la luz, puede conectar operaciones a través de un procesador cuántico. Hace varios años, los investigadores descubrieron que los centros de color en un material sintetizado llamado nitruro de boro hexagonal (hBN), que se usa comúnmente como lubricante o aditivo para pinturas y cosméticos, emitían colores aún más brillantes que los centros de color en el diamante. Pero los ingenieros han tenido problemas para usar el material en aplicaciones porque es difícil producir los defectos en una ubicación determinada, y carecían de una forma confiable de encender y apagar los centros de color.

El equipo de Berkeley Lab ahora resuelve estos problemas. Cong Suun postdoctorado del grupo de investigación dirigido por Alex Zettl, científico senior de la facultad en Berkeley Lab y profesor de física en UC Berkeley, examinó cómo se comportaban los centros de color en diferentes formas sofisticadas de hBN. Los investigadores descubrieron que dos capas apiladas y retorcidas del material dieron como resultado la activación y mejora de la emisión ultravioleta (UV) de un centro de color, que se puede apagar cuando se aplica un voltaje a través de la estructura. “Es como un sándwich con dos piezas de pan, pero una gira respecto a la otra”, dijo Zettl. La rotación entre las dos capas activa los centros de color en la interfaz para que se vuelvan extremadamente brillantes. Luego, el voltaje aplicado ajusta la intensidad de manera fácil y reversible de brillante a completamente oscuro, sin «quitar la rotación» de las mitades.

Un haz de electrones colocado en una serie de ubicaciones en una lámina de hBN retorcida intensifica la emisión de luz desde cada ubicación. El brillo depende de cuánto tiempo permanece el haz en un punto dado, o del flujo de electrones entregado a ese punto. El resultado es un patrón iluminado. (Crédito: Su et al. 2022)

El desarrollo de Aloni de un microscopio electrónico modificado que no solo investigó la estructura del material sino que también recolectó la luz emitida para su análisis resultó ser clave para este estudio. La configuración utiliza un haz de electrones para excitar los centros de color; los investigadores también descubrieron que podían usar el haz de electrones para activar los centros de color y dibujar patrones, como una cara sonriente, en hBN. “La gente típicamente elimina el material con láseres o iones, pero nosotros lo eliminamos con un haz de electrones”, dijo Zettl.

El estudio logra tres pasos hacia la realización de un dispositivo cuántico escalable. En primer lugar, los centros de color UV en hBN se pueden activar de manera confiable a un brillo máximo excepcional girando la interfaz de cristal. En segundo lugar, estos centros de color se pueden atenuar gradual y reversiblemente mediante una simple tensión aplicada. Finalmente, el tratamiento con haz de electrones permite un posicionamiento espacial más preciso de estos centros de color.

Cálculos teóricos dirigidos por steven luie, científico senior de la facultad en Berkeley Lab y distinguido profesor de física en UC Berkeley, proporcionó candidatos para la configuración atómica del centro de color UV para ayudar a explicar por qué su brillo dependía del ángulo de giro. El proceso de emisión de luz involucra un electrón excitado deambulando y recombinándose con un agujero en el centro de color. Pero una estructura típica de hBN tiene muchas trampas que podrían capturar los electrones, evitando la emisión de luz. “Retorcer las capas de cristal elimina muchas de estas trampas, o ‘estacionamientos cuánticos’, cerca de la interfaz”, dijo Louie.

A continuación, el equipo tiene la intención de preparar muestras que permitan la caracterización atómica para identificar las estructuras atómicas específicas detrás de este mecanismo y agregar niveles adicionales de control. “El trabajo nos está apuntando en la dirección de nuevos tipos de mecanismos que podemos usar para controlar la emisión aún mejor, y esto es muy importante para muchas aplicaciones en las ciencias de la información cuántica”, dijo Aloni.

Molecular Foundry es una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias en Berkeley Lab.

Este trabajo fue apoyado por la Oficina de Ciencias del DOE.

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Fundada en 1931 con la creencia de que los mayores desafíos científicos se abordan mejor en equipo, Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y sus científicos han sido reconocidos con 14 premios Nobel. En la actualidad, los investigadores de Berkeley Lab desarrollan soluciones medioambientales y de energía sostenible, crean nuevos materiales útiles, avanzan en las fronteras de la informática y exploran los misterios de la vida, la materia y el universo. Científicos de todo el mundo confían en las instalaciones del laboratorio para su propia ciencia de descubrimiento. Berkeley Lab es un laboratorio nacional multiprograma, administrado por la Universidad de California para la Oficina de Ciencias del Departamento de Energía de EE. UU.

La Oficina de Ciencias del DOE es el mayor patrocinador individual de la investigación básica en ciencias físicas en los Estados Unidos y está trabajando para abordar algunos de los desafíos más apremiantes de nuestro tiempo. Para mayor información por favor visite energía.gov/ciencia.

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