Agora, os cientistas do Laboratório Nacional
Lawrence Berkeley (Berkeley Lab), do Departamento de Energia e da Universidade
da California em Berkeley, em conjunto com seus colegas da Universidade
Harvard, conseguiram aumentar o desempenho de um dos mais potentes possíveis sensores
de campos magnéticos em nanoescala – um defeito em um diamante do tamanho de um
par de átomos, chamado de “centro de nitrogênio-vacância” (CNV).
As descobertas da equipe de pesquisadores podem,
eventualmente, permitir a fabricação de relógios menores que um chip de
computador e, ainda assim, com precisão de milionésimo de bilionésimo de
segundo (10-15 s), ou sensores de rotação mais rápidos e com maior
tolerância a temperaturas extremas do que os giroscópios em smartphones. Em pouco tempo, um chip barato de
diamante pode ser capaz de acomodar um computador quântico. A equipe relata
seus resultados em Nature Communications (http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/full/ncomms2771.html).
Centros de nitrogênio-vacância são alguns dos
defeitos mais comuns em diamantes. Quando um átomo de nitrogênio substitui um
átomo de carbono no cristal de diamante e emparelha com um espaço vazio
adjacente (onde falta um átomo de carbono que devia estar lá), elétrons não
ligados ao carbono que falta ficam no centro.
Os estados dos spins dos elétrons são bem
definidos e muito sensíveis a campos magnéticos, campos elétricos e luz, de
forma que podem ser facilmente dispostos, ajustados e lidos por lasers.
“Os estados de spin dos CNV s são estáveis ao
longo de um amplo espectro de temperaturas, de muito quente a muito frio”, diz
Dmitry Budker, da Divisão de Ciência Nuclear do Berkeley Lab, que também é
professor de física da UC Berkeley. Mesmo pequenas lascas de diamante que
custam centavos por grama, podem ser usadas como sensores, porque, como afirma
Budker, “nós podemos controlar o número de CNV's no diamante apenas irradiando-os
ou cozinhando-os”, ou seja, tratando-os termicamente.
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| Centros de nitrogênio-vacância (CNV's) ocorrem naturalmente em diamantes ou podem ser criados artificialmente. |
O desafio é manter a informação inerente nos
estados de spin do CNV uma vez que esta tenha sido lá codificada, sem deixá-la
vazar antes que se possam realizar medições. Nos CNV's, isso requer a extensão
do que é chamado de tempo de “coerência” dos spins dos elétrons, ou seja, o
tempo que os spins permanecem sincronizados entre si.
Recentemente, Budker trabalhou com Ronald
Walsworth, de Harvard, em uma equipe que incluía Nir Bar-Gill, de Harvard, e
Andrey Jarmola, pesquisador de pós-doutorado da UC Berkeley. Eles
conseguiram estender o tempo de coerência de um conjunto de spins de elétrons
de um CNV por mais de duas ordens de grandeza acima das experiências
anteriores.
“Para mim, o aspecto mais entusiasmante deste
resultado é a possibilidade de estudar as mudanças nas formas com que os CNV's interagem entre si”, diz Bar-Gill, autor principal do artigo. “Isto é possível
porque os tempos de coerência são muito mais longos do que aquele necessário
para as interações entre os CNV's”.
E Bar-Gill acrescenta, “agora podemos imaginar a
engenharia de amostras de diamantes para realizar arquiteturas de computação
quântica”. Os CNV's interativos fazem o papel dos bits em computadores
quânticos, chamados qubits. Enquanto um dígito binário (bit) representa um 1 ou
um 0, um qubit representa um 1 e um 0 superpostos, um estado de simultaneidade
tipo “gato de Schrödinger” que persiste enquanto os estados forem coerentes,
até que uma medição seja feita e faça colapsar todos os qubits emaranhados de
uma só vez.
“Nós empregamos alguns truques para nos livrarmos
de fontes de descoerência”, diz Budker. “Um deles foi usar amostras de diamante
especialmente preparadas para serem feitas apenas de carbono-12 puro″. Os
diamantes naturais incluem uma pequena quantidade do isótopo carbono-13, cujo
spin nuclear acelera a descoerência dos spins dos elétrons dos CNV's O
carbono-12 tem spin nuclear nulo.
“O outro truque foi baixar a temperatura até a do
nitrogênio líquido”, diz Budker. A descoerência foi reduzida pelo resfriamento
das amostras a 77 K (-196oC), bem abaixo da temperatura ambiente,
mas facilmente obtenível.
Trabalhando em conjunto no laboratório de Budker,
os membros da equipe montaram os diamantes dentro de um criostato. Um feixe de
laser atravessando o diamante, conjugado com um campo magnético, ajustou
os spins dos elétrons no CNV e os fez fluorescer. O brilho fluorescente
foi uma medida da coerência dos estados de spin.
“Controlar o spin é essencial”, explica Budker,
“de forma que pegamos emprestada uma ideia da ressonância magnética nuclear” –
a base de procedimentos familiares como o Imageamento por Ressonância Magnética
(IRM) nos hospitais.
Embora seja diferente do spin nuclear, a coerência
dos spins dos elétrons pode ser estendida com técnicas semelhantes. Assim,
quando os estados dos spins nos CNV's chegavam à beira da descoerência, os
pesquisadores sacudiam o diamante com uma série de até 10.000 curtos pulsos de micro-ondas.
Os pulsos invertiam os spins dos elétrons quando começavam a perder o
sincronismo mútuo, produzindo “ecos”, nos quais os spins invertidos se
auto-ajustavam. A coerência era re-estabelecida.
Eventualmente, os pesquisadores conseguiram tempos
de coerência de spin de mais de meio segundo. “Nossos resultados são realmente
brilhantes para o sensoriamento de campos magnéticos e para informação
quântica”, diz Bar-Gill.
Longos
tempos de coerência de spin se somam às vantagens que os diamantes já têm,
colocando os CNV's de diamantes na vanguarda dos potenciais candidatos para
computadores quânticos práticos – uma busca favorita dos pesquisadores de
Harvard. O que o grupo de Budker acredita ser uma perspectiva ainda mais
interessante é o potencial que os longos tempos de coerência apresentam no sensoriamento
de campos magnéticos oscilantes, com aplicações que vão da biofísica à defesa.(Fonte: http://www.eurekalert.org/pub_releases/2013-05/dbnl-fdp050913.php?)
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