28.09.2020 - Technische Universität Wien

El retorno del eco giratorio

El equipo de investigación descubrió un notable efecto de eco, que ofrece nuevas y excitantes posibilidades para trabajar con la información cuántica

Las pequeñas partículas pueden tener un momento angular que apunta en una cierta dirección: el espín. Este spin puede ser manipulado por un campo magnético. Este principio, por ejemplo, es la idea básica detrás de la resonancia magnética tal como se utiliza en los hospitales. Un equipo de investigación internacional ha descubierto un efecto sorprendente en un sistema que es particularmente adecuado para procesar información cuántica: los espines de átomos de fósforo en un trozo de silicio, acoplados a un resonador de microondas. Si estos giros se excitan inteligentemente con pulsos de microondas, se puede detectar una llamada señal de eco de giro después de un cierto tiempo: la señal de pulso inyectada se vuelve a emitir como un eco cuántico. Sorprendentemente, este eco de giro no se produce sólo una vez, sino que se puede detectar toda una serie de ecos. Esto abre nuevas posibilidades de cómo se puede procesar la información con los sistemas cuánticos.

Los experimentos fueron llevados a cabo en el Instituto Walther-Meissner de Garching por investigadores de la Academia Bávara de Ciencias y Humanidades y de la Universidad Técnica de Munich, la explicación teórica fue desarrollada en la Universidad Técnica de Viena. Ahora el trabajo conjunto ha sido publicado en la revista "Physical Review Letters".

El eco de los giros cuánticos

"Los ecos giratorios se conocen desde hace mucho tiempo, esto no es nada inusual", dice el Prof. Stefan Rotter de la TU Wien (Viena). Primero, un campo magnético se utiliza para asegurarse de que los giros de muchos átomos apuntan en la misma dirección magnética. Luego los átomos son irradiados con un pulso electromagnético, y de repente sus giros comienzan a cambiar de dirección.

Sin embargo, los átomos están incrustados en entornos ligeramente diferentes. Por lo tanto, es posible que fuerzas ligeramente diferentes actúen sobre sus giros. "Como resultado, el giro no cambia a la misma velocidad para todos los átomos", explica el Dr. Hans Hübl de la Academia Bávara de Ciencias y Humanidades. "Algunas partículas cambian su dirección de giro más rápido que otras, y pronto se tiene un salvaje revoltijo de giros con orientaciones completamente diferentes".

Pero es posible rebobinar este aparente caos - con la ayuda de otro pulso electromagnético. Un pulso adecuado puede invertir la rotación del giro anterior para que los giros vuelvan a unirse. "Puedes imaginar que es un poco como correr un maratón", dice Stefan Rotter. "A la señal de salida, todos los corredores siguen juntos. Como algunos corredores son más rápidos que otros, el campo de corredores se separa cada vez más con el tiempo. Sin embargo, si ahora se diera a todos los corredores la señal de volver a la salida, todos los corredores volverían a la salida aproximadamente al mismo tiempo, aunque los corredores más rápidos tienen que cubrir una distancia de vuelta más larga que los más lentos".

En el caso de los giros, esto significa que en un determinado momento todas las partículas tienen exactamente la misma dirección de giro de nuevo - y esto se llama el "eco de giro". "Basándonos en nuestra experiencia en este campo, ya esperábamos poder medir un eco de espín en nuestros experimentos", dice Hans Hübl. "Lo notable es que no sólo fuimos capaces de medir un solo eco, sino una serie de varios ecos".

El giro que se influye a sí mismo

Al principio, no estaba claro cómo se produce este novedoso efecto. Pero un detallado análisis teórico permitió ahora comprender el fenómeno: Se debe al fuerte acoplamiento entre los dos componentes del experimento - los giros y los fotones en un resonador de microondas, un circuito eléctrico en el que las microondas sólo pueden existir en ciertas longitudes de onda. "Este acoplamiento es la esencia de nuestro experimento: Puedes almacenar información en los espines, y con la ayuda de los fotones de microondas en el resonador puedes modificarla o leerla", dice Hans Hübl.

El fuerte acoplamiento entre los espines atómicos y el resonador de microondas es también responsable de los múltiples ecos: Si los giros de los átomos apuntan todos en la misma dirección en el primer eco, esto produce una señal electromagnética. "Gracias al acoplamiento al resonador de microondas, esta señal actúa de nuevo sobre los giros, y esto conduce a otro eco - y así sucesivamente", explica Stefan Rotter. "Los giros por sí mismos causan el pulso electromagnético, que es responsable del siguiente eco".

La física del eco de espín tiene un gran significado para las aplicaciones técnicas - es un principio básico importante detrás de la imagen de resonancia magnética. Las nuevas posibilidades que ofrece el eco múltiple, como el procesamiento de la información cuántica, se examinarán ahora con más detalle. "Sin duda, los ecos múltiples en conjuntos de espín acoplados fuertemente a los fotones de un resonador son una nueva y emocionante herramienta. No sólo encontrará aplicaciones útiles en la tecnología de información cuántica, sino también en los métodos de espectroscopia basada en el espín", dice Rudolf Gross, co-autor y director del Instituto Walther-Meissner.

Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.

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