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Pesquisadores do Laboratório Cavendish identificaram coerência de spin em defeitos atômicos dentro do nitreto de boro hexagonal (hBN) sob condições ambientais, uma conquista rara em materiais quânticos. O estudo, publicado na Nature Materials, destaca que estes spins podem ser controlados com luz e têm implicações promissoras para futuras tecnologias quânticas, incluindo detecção e comunicações seguras. As descobertas também enfatizam a necessidade de uma exploração mais aprofundada para aumentar a confiabilidade dos defeitos e estender os tempos de armazenamento de rotação, sublinhando o potencial do hBN no avanço das aplicações tecnológicas quânticas. Crédito: Eleanor Nichols, Laboratório Cavendish
Cientistas do Laboratório Cavendish descobriram a coerência de spin no nitreto de boro hexagonal (hBN) em condições normais, oferecendo novas perspectivas para aplicações de tecnologia quântica.
Cientistas do Laboratório Cavendish descobriram que um único “defeito atômico” em um material conhecido como Nitreto de Boro Hexagonal (hBN) mantém a coerência do spin à temperatura ambiente e pode ser manipulado usando luz.
A coerência do spin refere-se a um spin eletrônico capaz de reter informações quânticas ao longo do tempo. A descoberta é significativa porque os materiais que podem hospedar propriedades quânticas em condições ambientais são bastante raros.
As descobertas publicadas em Materiais da Natureza, confirmam ainda que a coerência do spin acessível à temperatura ambiente é mais longa do que os investigadores inicialmente imaginaram que poderia ser. “Os resultados mostram que, uma vez que escrevemos um determinado estado quântico no spin desses elétrons, essa informação é armazenada por aproximadamente 1 milionésimo de segundo, tornando este sistema uma plataforma muito promissora para aplicações quânticas”, disse Carmem M. Gilardoni, co. -autor do artigo e pós-doutorado Rubicon no Laboratório Cavendish.
“Isso pode parecer curto, mas o interessante é que este sistema não requer condições especiais – ele pode armazenar o estado quântico de spin mesmo em temperatura ambiente e sem a necessidade de ímãs grandes.”
Características do nitreto de boro hexagonal
O nitreto de boro hexagonal (hBN) é um material ultrafino composto de umátomo-camadas grossas, como folhas de papel. Essas camadas são mantidas unidas por forças entre moléculas. Mas por vezes, existem “defeitos atómicos” dentro destas camadas, semelhantes a um cristal com moléculas presas no seu interior. Esses defeitos podem absorver e emitir luz na faixa visível com transições ópticas bem definidas e podem atuar como armadilhas locais para elétrons. Devido a estes “defeitos atómicos” dentro do hBN, os cientistas podem agora estudar como estes electrões aprisionados se comportam. Eles podem estudar a propriedade de spin, que permite que os elétrons interajam com campos magnéticos. O que é realmente emocionante é que os pesquisadores podem controlar e manipular os spins dos elétrons usando luz dentro desses defeitos à temperatura ambiente.
Esta descoberta abre caminho para futuras aplicações tecnológicas, particularmente na tecnologia de detecção.
No entanto, como esta é a primeira vez que alguém relata a coerência de spin do sistema, há muito a investigar antes que ele esteja maduro o suficiente para aplicações tecnológicas. Os cientistas ainda estão descobrindo como tornar esses defeitos ainda melhores e mais confiáveis. Atualmente, eles estão investigando até que ponto podemos estender o tempo de armazenamento de spin e se podemos otimizar os parâmetros do sistema e dos materiais que são importantes para aplicações de tecnologia quântica, como a estabilidade do defeito ao longo do tempo e a qualidade da luz emitida por esse defeito.
Perspectivas Futuras e Observações Finais
“Trabalhar com este sistema destacou para nós o poder da investigação fundamental de materiais. Quanto ao sistema hBN, como campo podemos aproveitar a dinâmica do estado excitado em outras novas plataformas de materiais para uso em futuras tecnologias quânticas”, disse a Dra. Hannah Stern, primeira autora do artigo, que conduziu esta pesquisa no Laboratório Cavendish e é agora pesquisador da Royal Society University e professor na Universidade de Manchester.
No futuro, os pesquisadores pretendem desenvolver ainda mais o sistema, explorando muitas direções diferentes, desde sensores quânticos até comunicações seguras.
“Cada novo sistema promissor ampliará o conjunto de ferramentas de materiais disponíveis, e cada novo passo nesta direção avançará na implementação escalonável de tecnologias quânticas. Estes resultados substanciam a promessa dos materiais em camadas para atingir estes objetivos”, concluiu o professor Mete Atatüre, chefe do Laboratório Cavendish, que liderou o projeto.
Referência: “Um spin quântico coerente em nitreto de boro hexagonal em condições ambientais” por Hannah L. Stern, Carmem M. Gilardoni, Qiushi Gu, Simone Eizagirre Barker, Oliver FJ Powell, Xiaoxi Deng, Stephanie A. Fraser, Louis Follet, Chi Li , Andrew J. Ramsay, Hark Hoe Tan, Igor Aharonovich e Mete Atatüre, 20 de maio de 2024, Materiais da Natureza.
DOI: 10.1038/s41563-024-01887-z