Investigadores del Instituto de Física y Tecnología de Moscú (MFTI), junto con colegas franceses, demostraron experimentalmente que si se añaden impurezas a algunos semiconductores, los electrones de los átomos de impurezas conservarán la dirección del espín (el momento magnético propio) durante mucho tiempo (según los estándares cuánticos, esto son varios nanosegundos). Gracias al largo tiempo de coherencia del espín, estos sistemas atómicos pueden utilizarse como cúbits en una computadora cuántica.
En un nuevo trabajo, los científicos del Centro de Métodos Avanzados de Mesofísica y Nanotecnologías del MFTI sustituyeron parte de los átomos de telurio en el dicálcogenuro de molibdeno telurio (2H-MoTe2) por átomos de bromo y, mediante resonancia paramagnética electrónica y microscopía de barrido de túneles, investigaron la estructura de los electrones del átomo de impureza y estimaron el tiempo de coherencia del sistema.
Si un átomo extraño individual, colocado en un monocristal, conduce a la localización de un estado polarizado por espín, puede convertirse en un cúbit. En los dicálcogenuros de metales de transición, la fuerte interacción espín-órbita crea precisamente estas condiciones. La cuestión es cómo trabajar con estos cúbits, ya que es la escala atómica más pura, del orden de 0,3 nm. En nuestras investigaciones, añadimos impurezas de bromo al semiconductor molibdeno telurio. Esta impureza tiene una posición energética dentro de la banda prohibida del material, es decir, sus electrones están localizados. En el trabajo mostramos que las propiedades cuánticas de estas impurezas pueden estudiarse, para ello se utilizó la técnica de medición de la resonancia de espín electrónico y la espectroscopia de túnel de barrido a baja temperatura. Demostramos que en estos átomos existen estados de valle de espín localizados heredados del material con tiempos de coherencia de espín de nanosegundos.
De este modo, los científicos demostraron la posibilidad de utilizar átomos reales como cúbits y explicaron teóricamente el largo tiempo de coherencia, construyendo la estructura electrónica del material.
Por ahora, este es un trabajo relativamente pionero, donde se muestra fundamentalmente que los átomos de impurezas tienen signos de estados electrónicos localizados de larga duración: un átomo a la cúbit. El mensaje del trabajo es que es necesario seguir estudiando la posibilidad de utilizar átomos reales en una matriz de estado sólido para crear cúbits. Planeamos mejorar la metodología, ahora mi estudiante de posgrado Valeria Sheina, la primera autora del trabajo, también está tratando de llevar los átomos de impurezas a un estado excitado. Para ello, necesitamos introducir una fuente de radiación de alta frecuencia directamente debajo de la aguja en el microscopio de túnel, que transferiría el cúbit del estado fundamental al estado excitado. Y esta es la siguiente etapa. En gran medida, su éxito depende de la elección del material y la impureza.