Department of Materials Physics (Eötvös Loránd University)
Starting date
2012-01-01
Closing date
2015-12-31
Funding (in million HUF)
6.987
FTE (full time equivalent)
2.80
state
closed project
Summary in Hungarian
Egy kristályos anyagban levő, gerjesztett spinű elektron a spin-pálya-kölcsönhatásnak köszönhetően legerjesztődhet, miközben energiáját a kristályrács rezgései, azaz fononok veszik fel. Ha az elektron egy nanomechanikai rezonátorban - pl. két végén felfüggesztett szén nanocsőben - helyezkedik el, akkor a kibocsátott fonont az elektronspin újra elnyelheti. Ezt az ismétlődő, koherens emisszió-abszorpció folyamatot az üregrezonátoros kvantumelektrodinamikában Rabi-oszcillációnak nevezik. A tervezett kutatási projekt fő célja, hogy elméletileg vizsgálja a szén-alapú mechanikai rezonátorokban (nanocső, grafén) csapdázott elektronokra jellemző spin-fonon-kölcsönhatás kvantitatív jellemzőit, elemezze a spin-fonon kölcsönhatás és az üregrezonátoros kvantumelektrodinamikából ismert atom-foton kölcsönhatás közti analógiát, illetve azon túllépve rávilágítson újszerű, az elektronok egymás közti erős Coulomb-taszításából adódó effektusokra. Szén alapú nanomechanikai rezonátorok néhány éve előállíthatók, így a projekt eredményei jó eséllyel kísérleti ellenőrzést nyerhetnek.
Summary
In a crystalline solid, spin-orbit interaction allows an electron in an excited spin state to transfer its excitation energy to the lattice vibrations, i.e., phonons. If the electron resides in a nanomechanical resonator, e.g., in a carbon nanotube suspended at its ends, then the emitted phonon can be reabsorbed by the electron spin. This recurrent, coherent emission-absorption process is known as Rabi oscillation in cavity quantum electrodynamics. The main goal of the proposed research project is to theoretically investigate the quantitative characteristics of the spin-phonon interaction of electrons confined in carbon-based (nanotube, graphene) mechanical resonators, to analyze the analogy between the spin-phonon interaction and the atom-photon interaction in cavity quantum electrodynamics, and beyond that, to predict novel effects due to the strong Coulomb repulsion between electrons occupying the resonator. Carbon-based nanomechanical resonators have been fabricated for a few years, hence the results of the project can probably be confirmed experimentally.
Final report
Results in Hungarian
Az elmúlt évek látványos fejlődést hoztak az egyedi szénnanocsöveken alapuló kvantumeszközök előállítása területén. A fejlődés számos áttörő jelentőségű kísérletet tett lehetővé, melyek egyértelműsítették e nanoszerkezetek különleges elektromos, mágneses és mechanikai tulajdonságait, és betekintést adtak egyszerű kölcsönható kvantumrendszerek - pl. egy egyetlen elektronból és egyetlen mechanikai rezgési módusból álló hibrid rendszer - viselkedésébe. Jelen elméleti projekt fő hozzájárulása ehhez a területhez a következő volt. Javasoltunk egy spin-pálya-csatoláson alapuló mechanizmust, ami erős kölcsönhatást közvetít egy gitárhúrszerű nanocső mechanikai rezonator valamely rezgési módusa, és a nanocsövön csapdázott egyetlen elektron spinje között. Javasoltunk egy kísérleti elrendezést, amiben ez az erős kölcsönhatás megfigyelhető. Elemeztük, hogy a mechanikai deformáció, rendezetlenség, és külső elektromágneses terek együttes jelenléte hogyan alkalmazható a nanocsőben csapdázott elektron kvantumállapotának inicializálására, koherens vezérlésére és kiolvasására; ezek a funkciók elemi kvantuminformatikai sémák megvalósításánál hasznosulnak. Elemeztük továbbá, hogy a környezettel való kölcsönhatás milyen módon vezet dekoherenciához ezekben a nanoszerkezetekben. Eredményeink közvetlenül kapcsolódnak olyan, jelenleg is folyó kísérleti munkákhoz, amik nanomechanikai kvantumrendszerek és spin-alapú információhordozók dinamikájának fundamentális megértését és vezérlését célozzák.
Results in English
Recent years brought advancements in the fabrication and control of quantum devices based on individual carbon nanotubes. The progress enabled a large number of experimental breakthroughs, revealing the remarkable electronic, magnetic and mechanical properties of these nanostructures. Furthermore, it offered experimental insight to the behavior of simple hybrid quantum systems, such as a single electron interacting with a single mechanical vibrational mode. The main contributions of our present theory project to this field are as follows. We proposed a mechanism, based on spin-orbit coupling, which mediates strong interaction between a single vibrational mode of a guitar-string-like nanotube mechanical resonator, and the spin of a single electron captured within that nanotube. We also proposed an experiment allowing for the detection of this strong interaction. In addition, we analyzed how the interplay of mechanical deformation, disorder, and external electromagnetic fields in nanotubes can be utilized for initialization, coherent control, and readout of single-electron quantum states, with uses in elementary quantum-information processing schemes. Furthermore, we analyzed how unwanted interaction with the environment leads to decoherence in these nanostructures. Our results have direct relevance for ongoing experimental efforts, aiming at a fundamental understanding and a precise quantum control of nanomechanical systems and spin-based information carriers.
