Cristais recém-fabricados controlam interações entre fônons de alta frequência e sistemas quânticos únicos

Os fônons, as vibrações mecânicas quânticas dos átomos nos sólidos, são frequentemente fontes de ruído em sistemas quânticos de estado sólido, incluindo tecnologias quânticas, o que pode levar à decoerência e, assim, impactar negativamente seu desempenho.

Estratégias para controlar de forma confiável os fônons e suas interações com sistemas quânticos poderiam ajudar a mitigar os efeitos adversos dessas vibrações nos sistemas.

Pesquisadores da Universidade de Harvard e de outros institutos introduziram uma nova abordagem para controlar as interações entre fônons de alta frequência e sistemas quânticos únicos de estado sólido. O método proposto, descrito em um artigo publicado em Física da Naturezadepende de novos cristais fonônicos de diamante que eles projetaram e fabricaram, que podem ser usados ​​para projetar a densidade native de estados em um materials hospedeiro.

“A capacidade de controlar fônons em sólidos é basic, uma vez que eles frequentemente atuam como fonte de ruído e decoerência para sistemas quânticos de estado sólido”, disse Kazuhiro Kuruma, primeiro autor do artigo, ao Phys.org.

“O objetivo principal do nosso estudo foi demonstrar o controle da densidade fonônica native de estados da matriz hospedeira usando cristais fonônicos para suprimir processos espontâneos de fônons únicos que induzem a decoerência em sistemas quânticos individuais.”

Kuruma e seus colegas foram capazes de projetar e fabricar cristais fonônicos à base de diamante com precisão em nanoescala, incorporando neles centros de cores com lacunas de silício. Usando seus cristais recém-fabricados, a equipe observou uma redução de 18 vezes na taxa de relaxamento orbital induzida por fônons, sugerindo que esses cristais suprimem processos de fóton único nos centros de cores.

“Uma das partes mais difíceis deste estudo foi a fabricação de cristais fonônicos em diamante”, explicou Kuruma. “Otimizamos cuidadosamente um processo de gravação de diamante para fabricar esses cristais com características muito pequenas de até 20 nm em diamante de cristal único.”

Os novos cristais fonônicos de diamante projetados pelos pesquisadores foram usados ​​com sucesso para controlar as interações entre os fônons de alta frequência e os centros de cores. Especificamente, Kuruma e seus colegas descobriram que esses cristais poderiam suprimir as interações entre fônons únicos e um emissor quântico em temperaturas de até 20K.

“Demonstramos cristais fonônicos que podem suprimir fônons de alta frequência de 50 a 70 GHz”, disse Kuruma. “Além disso, demonstramos que processos espontâneos de fônons únicos em sistemas quânticos únicos são suprimidos pelos cristais fonônicos mesmo quando as temperaturas aumentam até 20 Okay.”

No futuro, a abordagem utilizada por esta equipa de investigadores e os cristais fonónicos que fabricaram poderão contribuir para o desenvolvimento de tecnologias avançadas. tecnologias quânticas que podem se beneficiar do controle confiável das interações de fônons, como redes fonônicas quânticas e sistemas acústicos quânticos.

Além disso, este estudo recente poderá informar pesquisas futuras enraizadas na acustodinâmica, um campo emergente que se concentra em fenômenos quânticos envolvendo ondas acústicas.

“Nossos resultados não apenas abrem a possibilidade de controlar eficientemente frequências específicas fônons para aplicações em radiofrequência processamento de sinaloptomecânica, fonônica não linear e termoelétrica, mas também poderia melhorar as propriedades do estado sólido sistemas quânticos em temperaturas mais altas.”

© 2025 Science X Community