Lomittumista huonelämpöisessä puolijohteessa

Lomittuminen on yksi omituisin ilmiö kvanttimekaniikan parissa ja juuri siksi ehkä loputtoman mielenkiinnon kohde tiedemiesten parissa.

Lomittuminen on mahdollista myös makroskooppisessa ympäristössä mutta tähän asti vain erittäin alhaisissa lämpötiloissa (-270 astetta) ja hyödyntämällä erittäin vahvoja magneettikenttiä tai kemiallisia reaktioita.

Termodynamiikan lait estävät yleensä tarkkailemasta kvantti-ilmiöistä makroskooppisissa objekteissa," toteaa Chicagon yliopsiston Institute for Molecular Engineeringin jatko-opiskelija Paul Klimov.

Marraskuun Science Advances -lehdessä, Paul Klimov ja muut tutkijat professori David Awschalomin ryhmässä ovat nyt osoittaneet, että makroskooppinen lomittuminen voidaan tuottaa huoneenlämmössä ja pienessä magneettikentässä.

Tutkijat käyttivät infrapunaista laservaloa linjatakseen tuhansien elektronien ja ytimien magneettisia tiloja ja sitten sähkömagneettisilla pulsseilla, samanlaisilla kuin magneettikuvauksessa (MRI), lomittamaan niitä.

Tämä menettely aiheutti elektronien ja ytimien parien lomittumisia tilavuudeltaan 40 mikrometrisessä (punasolujen kokoisia) piikarbidi puolijohteessa.

Entuudestaan tiedetään, että puolijohteiden vikakohtiin liittyvillä atomiytimen spintiloilla on hyvät kvanttiominaisuudet huonelämpötilassa. Ne ovat koherentteja, pitkäikäisiä sekä hallittavissa fotoniikalla ja elektroniikalla.

- Käyttää näitä kvantti "kappaleita" luomaan lomittuneita kvanttitiloja, tuntui saavutettavissa olevalta tavoitteelta. Perusfysiikan kiinnostavuuden lisäksi, kyvyllä tuottaa vankkoja lomittuneita tiloja puolijohteessa ympäristön olosuhteissa on merkittäviä vaikutuksia tuleviin kvanttilaitteisiin, toteaa David Awschalom yliopistonsa tiedotteessa.

Lyhyellä aikavälillä uusi saavutus voisi mahdollistaa kvanttiantureita, joissa lomittuminen mahdollistaa ylittää perinteisten antureiden herkkyysrajat. Koska lomittuminen toimii ympäristön olosuhteissa ja piikarbidi on bio-ystävällinen, biologinen anturi elävän organismin sisällä olisi yksi erityisen jännittävä sovellus.

"Olemme innoissamme lomittumisella tehostetusta magneettikuvauksen koettimista, joilla voisi olla merkittäviä biolääketieteellisiä sovelluksia", toteaa Abram Falk IBM:n Thomas J. Watsonin tutkimuskeskuksesta ja yksi tutkimustuloksien kirjoittajista.