Imagina emisores de tamaño muy pequeño, dispersos en una habitación a oscuras. Si reciben un impacto preciso mediante un haz de luz, dichos emisores devuelven una señal que contiene información útil. Si las posibilidades de que el haz de luz incida en los transmisores de forma adecuada es baja, para aumentarlas, nada mejor que conocer la posición exacta de los transmisores esparcidos por la habitación. Este es el reto que se han planteado investigadores de la universidad de Harvard, de la Universidad de California en Santa Bárbara y de la Universidad de Chicago. En su trabajo, publicado en Applied Physics Letters, los transmisores se sustituyen por centros NV y los haces de luz por cavidades fotónicas.

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El término centro NV (vacante de nitrógeno) es una impureza en la red cristalina del diamante que consiste en un átomo de nitrógeno y un hueco de un átomo que sustituye a dos átomos de carbono adyacentes. Este tipo de fallo es de especial interés para los investigadores que trabajan en el diseño del ordenador cuántico. Los centros NV podrían, de hecho, ser capaces de registrar y transmitir información en forma de luz, gracias al espín de su electrón desapareado cuyo tiempo de coherencia puede alcanzar el segundo. ¿Cómo lograrlo?, cuando se ilumina mediante láser un centro NV, emite luz cuya intensidad tiene una frecuencia específica, característica del estado del espín del electrón no apareado.

Desafortunadamente, a temperatura ambiente, la luz emitida desde el centro NV se mezcla con emisiones parásitas.

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La señal útil es relativamente pequeña, y es difícil de identificar y extraer, tiene que ser amplificada para ser utilizable. Para ello, los científicos usan una cavidad fotónica, que es una estructura que tiene un patrón periódico de agujeros a nanoescala que mejora la emisión de luz de los centros NV en su frecuencia principal. De esta manera, una vez amplificada, la señal del centro NV podría ostentar el papel de qubit, que es la unidad básica de información cuántica.

Localización de impurezas en la red cristalina

La eficacia de las cavidades fotónicas depende de la correspondencia entre la ubicación de los defectos en la estructura cristalina y el pico de resonancia de la cavidad. Para superar el problema de la localización de los centros NV los investigadores han puesto en práctica una técnica llamada dopaje delta. Han logrado reducir la incertidumbre sobre la ubicación de centros NV en una capa de 200 nanómetros de diamante con un espesor de tan sólo 6 nanómetros.

Basándose en sus resultados, los investigadores han desarrollado una cavidad fotónica específica que permite amplificar la intensidad de la luz emitida por los centros NV en un factor de 30.

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Y esperan mejorar sus resultados mediante la localización de defectos en el plano horizontal, en otras palabras, la especificación de la estructura 3D del cristal de diamante impuro.

Además del ordenador cuántico, los centros NV también podrían utilizarse para producir sensores magnéticos y de temperatura a nivel molecular. Darían acceso a medidas de características de células individuales. #Investigación científica