Електрони знаходяться у волі магнітних полів, якими вчені можуть маніпулювати для управління електронами та їх кутовим моментом – тобто їхнім «спіном».
Команда Корнелла під керівництвом Грега Фукса, доцента прикладної та інженерної фізики в Інженерному коледжі, винайшла новий спосіб здійснення цього контролю за допомогою акустичних хвиль, що генеруються механічними резонаторами. Цей підхід дозволив команді контролювати електронні спінові переходи (також відомі як спінові резонанси), які в іншому випадку не були б можливими за допомогою звичайної магнітної поведінки.

Ця знахідка стала благом для тих, хто бажає створити квантові датчики, що використовуються в мобільних навігаційних пристроях. Однак такі пристрої все ще потребували магнітного поля управління – і, отже, громіздкої магнітної антени – для керування певними спіновими переходами.

Тепер група Фукса показала, що цими переходами може керуватися виключно акустика. Це позбавляє потреби в магнітній антені, дозволяючи інженерам створювати менші, енергоефективніші акустичні датчики, які можна щільніше упакувати на одному пристрої .

“Ви можете використовувати магнітне поле для керування цими спіновими переходами, але магнітне поле насправді є дуже розширеним і великим об’єктом”, – сказав Фукс. “На відміну від цього, акустичні хвилі можуть бути дуже обмеженими. Отже, якщо ви думаєте про управління різними регіонами спінів всередині мікросхеми, локально та незалежно, то робити це за допомогою акустичних хвиль є розумним підходом”.

Для керування спіновими переходами електронів Фукс та Хуейяо Чень ’20, головний автор статті, використовували центри вакансій азоту (НВ), які є дефектами кристалічної решітки алмазу. Акустичні резонатори – це пристрої мікроелектромеханічних систем (MEMS), обладнані перетворювачем. Коли подається напруга, пристрій вібрує, посилаючи в кристал акустичні хвилі від 2 до 3 гігагерц. Ці частоти викликають деформацію і напруження дефекту, що призводить до спінового електронного резонансу.

Одне ускладнення: Цей процес також збуджує магнітне поле, тому дослідники ніколи не були повністю впевнені в дії механічних коливань у порівнянні з ефектом магнітних коливань. Тож Фукс і Чен вирішили ретельно виміряти зв’язок між акустичними хвилями та спіновим переходом і порівняти його з розрахунками, запропонованими фізиками-теоретиками.

“Ми змогли окремо встановити магнітну частину та акустичну частину, і тим самим виміряти той невідомий коефіцієнт, який визначає, наскільки сильно одиничний квантовий перехід з’єднується з акустичними хвилями” , – сказав Фукс. “Відповідь була, на наш подив і радість, що це на порядок більше, ніж передбачалося. Це означає, що ви дійсно можете сконструювати повністю акустичні спінові резонансні пристрої, які, наприклад, могли б зробити чудові датчики магнітного поля, але вам не потрібно магнітне поле управління для їх запуску “.

Фукс співпрацює з Корнельським центром ліцензування технологій, щоб запатентувати відкриття, яке може мати важливе застосування в навігаційних технологіях.

“По всій країні докладено значних зусиль для створення високостабільних датчиків магнітного поля з алмазними центрами NV”, – сказав Фукс. “Люди вже будують ці пристрої на основі звичайного магнітного резонансу з використанням магнітних антен. Я думаю, що наше відкриття матиме надзвичайну користь з точки зору того, наскільки компактним ви можете зробити його, і можливістю виготовлення незалежних датчиків, розташованих близько”.