Uma equipa de investigação da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas John A. Paulson da Universidade de Harvard, em colaboração com várias instituições internacionais, observou pela primeira vez com sucesso o efeito Purcell acústico em nanoestruturas de diamante. O estudo utilizou um único centro de vacância de silício como qubit de spin e, ao projetar um ressonador nanomecânico de frequência de micro-ondas, obteve um aumento de cerca de dez vezes na taxa de relaxação do spin, correspondendo a uma cooperatividade spin-fonão de aproximadamente 10, estabelecendo o recorde mais alto até à data.
De acordo com o artigo publicado na revista Nature a 6 de maio, a equipa de investigação construiu um ressonador nanomecânico de frequência de micro-ondas especialmente projetado em torno de um qubit de spin de centro de cor no diamante, e realizou medições de espetroscopia laser ao nível de fotão único a temperaturas de milikelvin. A experiência mostrou que, quando o qubit de spin foi sintonizado em ressonância com um modo acústico de 12 GHz, a sua taxa de relaxação de spin acelerou dez vezes em comparação com o espaço livre, confirmando diretamente a expectativa central do efeito Purcell acústico. Além disso, a equipa também utilizou este centro de cor como uma sonda à escala atómica para medir o espetro de fonões de banda larga da nanoestrutura em frequências até 28 GHz.
O efeito Purcell, proposto pelo físico Edward Purcell em 1946, descreve como uma cavidade ressonante eletromagnética pode alterar a taxa de emissão espontânea de um emissor colocado no seu interior, tendo sido desde então amplamente aplicado nas áreas de computação e comunicação quântica. O efeito Purcell acústico é o correspondente deste efeito em sistemas fonónicos, utilizando ondas sonoras em vez de ondas luminosas para controlar estados quânticos. A equipa de Harvard replicou com sucesso este mecanismo pela primeira vez em átomos artificiais de estado sólido, preenchendo a lacuna experimental que existia há quase 80 anos, desde a proposta da teoria, em sistemas acústicos de estado sólido.
O centro de vacância de silício é um defeito pontual no diamante formado pela substituição de dois átomos de carbono por um único átomo de silício. A sua degenerescência orbital no estado fundamental é altamente sensível a deformações locais, e a força do acoplamento eletrão-fonão é naturalmente superior à de outros sistemas de centros de cor. A equipa explorou esta característica, utilizando o ressonador nanomecânico para redistribuir a densidade de estados fonónicos, acelerando seletivamente o canal de relaxação do spin através da emissão de fonões. As medições mostraram que a cooperatividade spin-fonão do sistema atinge aproximadamente 10, marcando a superação do limiar crítico necessário para a manipulação quântica coerente, onde os fonões podem extrair informação do qubit de forma eficiente sem serem submersos pelo ruído ambiental.
Este trabalho de investigação foi liderado pela Universidade de Harvard e realizado em sinergia com equipas de investigação do Japão, Europa e outros locais. O artigo conta com um total de 12 coautores, incluindo Graham Joe, Michael Haas, Kazuhiro Kuruma, Chang Jin, Dongyeon Daniel Kang, Sophie Weiyi Ding, Cleaven Chia, Hana Warner, Benjamin Pingault, Bartholomeus Machielse, Srujan Meesala e Marko Loncar. Este modelo de colaboração transcontinental abrangeu a cadeia técnica completa, desde a preparação de materiais de diamante e processamento de nanoestruturas até medições quânticas a baixas temperaturas.
Este resultado abre um canal direto para a conversão de sinais entre qubits de estado sólido e dispositivos supercondutores acústicos, com potencial para reconfigurar a forma como os nós das redes quânticas se interligam. Primeiro, os fonões podem atuar como "transdutores quânticos universais" entre diferentes sistemas físicos, permitindo a transferência de informação entre qubits supercondutores e centros de cor de estado sólido. Segundo, esta tecnologia pode ser diretamente convertida em memórias quânticas mecânicas, fornecendo a base física para a sincronização e armazenamento temporário de informação em redes de computação quântica distribuída. Terceiro, o efeito Purcell acústico pode converter o ruído fonónico num recurso para aumentar a taxa de polarização do spin, oferecendo uma sensibilidade superior aos limites atuais para a deteção quântica.
No contexto atual de aceleração da competição internacional em computação quântica, este resultado da equipa de Harvard estabelece a base experimental para a via emergente da "interconexão quântica acústica". Atualmente, vários laboratórios nacionais em todo o mundo já iniciaram programas de investigação sobre interfaces quânticas acústicas de estado sólido, prevendo-se que, nos próximos dois anos, protótipos de transdutores e repetidores quânticos baseados no efeito Purcell acústico entrem sucessivamente na fase de verificação de prova de conceito.