Впервые зафиксированы связанные спиновые состояния ядра и электрона

Исследователи Штутгартского университета вместе с коллегами из Пекинского исследовательского вычислительного центра впервые обнаружили электронные спиновые состояния, связанные со спинами ядер в кристалле редкоземельного металла. Об открытии исследователи рассказали в журнале Physical Review Letters.

Редкоземельные минералы — это класс материалов, которые в настоящее время используются для создания различных устройств, в том числе светодиодов, аккумуляторов, магнитов, лазеров и многого другого. Спины электронов в этих материалах могут находиться в кристаллах, создавая системы с уникальными характеристиками, которые могут служить интерфейсами между связанными между собой фотонами и долгоживущими кубитами.

Эти системы представляют собой спины электронов, которые взаимодействуют с окружающими ядерными спинами, и поэтому они могут быть полезны для разработки инструментов квантовой памяти. До сих пор, однако, ученые не смогли ни разу обнаружить такие связанные ядерные спины в кристаллах редкоземельных минералов.

Теперь физики сообщают о фиксировании таких состояний в кристалле ортосиликата иттрия, допированного ионами церия Ce³⁺. Предыдущая работа ученых была посвящена исследованию другого кристалла — иттрий-алюминиевого граната, также допированного церием. Тогда исследователям удалось зафиксировать когерентное взаимодействие между ядерными и электронными спинами, однако оно оказалось очень коротким.

После работы 2014 года ученые хотели исследовать электронные спины с большим временем когерентности. В результате поисков они наткнулись на ортосиликат иттрия, который показал более продолжительное время когерентности. Достижение достаточного времени такого взаимодействия в конечном счете позволит исследователям зафиксировать внешние ядерные спины, что и было основной целью их работы.

Отдельные ядерные спины можно обнаружить на основе сигналов флуоресценции исследуемых редкоземельных ионов. В своих экспериментах ученые возбуждали внешний электрон церия лазерными импульсами с круговой поляризацией до определенного спинового состояния. Затем с помощью микроволнового излучения физики переводили спин электрона в состояние суперпозиции, в котором он может улавливать возмущение спина внешней оболочки ядра.

Это возмущение исследователям удалось зафиксировать в виде флуоресцентного сигнала. Наиболее примечательно, что они смогли успешно получить сигнал отдельного внешнего ядерного спина из огромного их скопления. Таким образом, исследователи использовали единичные редкоземельные ионы в качестве зондов для обнаружения одиночных ядерных спинов в окружающей их среде.

Понравился материал? Добавьте Indicator.Ru в «Мои источники» Яндекс.Новостей и читайте нас чаще.