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Atomic Nuclei: Nuclear Spin State Overview01:03

Atomic Nuclei: Nuclear Spin State Overview

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NMR-active nuclei have energy levels called 'spin states' that are associated with the orientations of their nuclear magnetic moments. In the absence of a magnetic field, the nuclear magnetic moments are randomly oriented, and the spin states are degenerate. When an external magnetic field is applied, the spin states have only 2 + 1 orientations available to them. A proton with = ½ has two available orientations. Similarly, for a quadrupolar nucleus with a nuclear spin value of one, the...
2.3K
Atomic Nuclei: Nuclear Spin01:08

Atomic Nuclei: Nuclear Spin

5.9K
All atomic particles possess an intrinsic angular momentum, or 'spin'. Electrons, protons, and neutrons each have a spin value of ½, although protons and neutrons in nuclei may have higher half-integer spins owing to energetic factors.
Atomic nuclei have a net nuclear spin, , which can have an integer or half-integer value. In atomic nuclei, the spins of protons are paired against each other but not with neutrons, and vice versa. Consequently, an even number of protons does not contribute...
5.9K
Atomic Nuclei: Nuclear Spin State Population Distribution01:14

Atomic Nuclei: Nuclear Spin State Population Distribution

2.6K
Near absolute zero temperatures, in the presence of a magnetic field, the majority of nuclei prefer the lower energy spin-up state to the higher energy spin-down state. As temperatures increase, the energy from thermal collisions distributes the spins more equally between the two states. The Boltzmann distribution equation gives the ratio of the number of spins predicted in the spin −½ (N−) and spin +½ (N+) states.
2.6K
Atomic Nuclei: Nuclear Relaxation Processes01:23

Atomic Nuclei: Nuclear Relaxation Processes

1.4K
In the absence of an external magnetic field, nuclear spin states are degenerate and randomly oriented. When a magnetic field is applied, the spins begin to precess and orient themselves along (lower energy) or against (higher energy) the direction of the field. At equilibrium, a slight excess population of spins exists in the lower energy state. Because the direction of the magnetic field is fixed as the z-axis,  the precessing magnetic moments are randomly oriented around the z-axis.
1.4K
Atomic Nuclei: Magnetic Resonance01:05

Atomic Nuclei: Magnetic Resonance

1.4K
The number of nuclear spins aligned in the lower energy state is slightly greater than those in the higher energy state. In the presence of an external magnetic field, as the spins precess at the Larmor frequency, the excess population results in a net magnetization oriented along the z axis. When a pulse or a short burst of radio waves at the Larmor frequency is applied along the x axis, the coupling of frequencies causes resonance and flips the nuclear spins of the excess population from the...
1.4K
Atomic Nuclei: Types of Nuclear Relaxation01:28

Atomic Nuclei: Types of Nuclear Relaxation

1.2K
Nuclear relaxation restores the equilibrium population imbalance and can occur via spin–lattice or spin–spin mechanisms, which are first-order exponential decay processes.
In spin–lattice or longitudinal relaxation, the excited spins exchange energy with the surrounding lattice as they return to the lower energy level. Among several mechanisms that contribute to spin–lattice relaxation, magnetic dipolar interactions are significant. Here, the excited nucleus transfers...
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Los nucleos ópticamente direccionables giran en un sólido con un tiempo de coherencia de seis horas.

Manjin Zhong1, Morgan P Hedges2, Rose L Ahlefeldt3

  • 1Centre for Quantum Computation and Communication Technology, Laser Physics Centre, The Australian National University, Canberra, Australian Capital Territory 0200, Australia.

Nature
|January 9, 2015
PubMed
Resumen

Los investigadores desarrollaron una nueva memoria cuántica utilizando ortosilicato de yttrio dopado con europio. Este sistema demuestra tiempos de coherencia excepcionalmente largos, allanando el camino para repetidores cuánticos robustos y redes globales de comunicación cuántica.

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Área de la Ciencia:

  • Ciencias de la información cuántica Ciencias de la información cuántica.
  • La Comunicación Cuántica es una comunicación cuántica.
  • La mecánica cuántica es la mecánica cuántica.

Sus antecedentes:

  • Los estados cuánticos entrelazados son cruciales para la investigación de la mecánica cuántica y la comunicación cuántica.
  • Los métodos ópticos son comunes para distribuir el entrelazamiento, pero se enfrentan a limitaciones de rango debido a la pérdida de señal.
  • Se proponen repetidores cuánticos, utilizando memorias cuánticas, para superar estas limitaciones de rango.

Objetivo del estudio:

  • Para investigar la tasa de decoherencia de un nuevo sistema de memoria cuántica.
  • Evaluar la idoneidad de este sistema para el almacenamiento de información cuántica de larga duración.
  • Explorar su potencial para permitir la comunicación cuántica a escala global.

Principales métodos:

  • Las mediciones se llevaron a cabo en la transición hiperfina del estado de tierra de los dopantes de iones de europium en ortosilicato de ittrio ((151) Eu(3+): Y2SiO5).
  • Se emplearon técnicas de resonancia magnética nuclear detectadas ópticamente para determinar las tasas de decoherencia.
  • Se utilizaron métodos de desacoplamiento dinámico para extender el tiempo de coherencia.

Principales resultados:

  • Se midió una tasa de decoherencia de 8 × 10−5 por segundo durante 100 milisegundos.
  • Esta tasa es significativamente menor que la de otros sistemas adecuados para memorias cuánticas ópticas.
  • Se logró un tiempo de coherencia de 370 ± 60 minutos a 2 Kelvin utilizando desacoplamiento dinámico.

Conclusiones:

  • El sistema (151) Eu(3+):Y2SiO5 exhibe tiempos de coherencia sin precedentes para aplicaciones de memoria cuántica.
  • El tiempo de coherencia alcanzado supera los requisitos para la comunicación cuántica a escala global a través de repetidores cuánticos.
  • Este avance sugiere que el transporte de espines nucleares dentro de los cristales podría ser una alternativa viable a la fibra óptica para la transferencia de información cuántica a larga distancia.