科學(xué)家觀察到聲學(xué)相互作用如何在原子級改變材料

當承受應(yīng)力和應(yīng)變時，材料會表現(xiàn)出各種不同的特性。通過使用聲波，科學(xué)家已經(jīng)開始探索晶體材料中的基本應(yīng)力行為，該行為可能構(gòu)成量子信息技術(shù)的基礎(chǔ)。這些技術(shù)涉及可以同時在多種狀態(tài)下編碼信息的材料，從而可以進行更有效的計算。

在美國能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學(xué)普利茲克分子工程學(xué)院(PME)的研究人員的一項新發(fā)現(xiàn)中，科學(xué)家們使用X射線觀察了聲波發(fā)射時碳化硅晶體的空間變化。應(yīng)變掩蓋其中的缺陷。這項工作是根據(jù)最近的一項較早的研究進行的，在該研究中，研究人員觀察到當材料同樣受到應(yīng)變時，缺陷電子的自旋態(tài)會發(fā)生變化。

由于這些缺陷在晶體中被很好地隔離，因此它們可以充當單個分子態(tài)并充當量子信息的載體。當陷在缺陷附近的電子在自旋狀態(tài)之間改變時，它們以光子的形式發(fā)射能量。根據(jù)電子所處的狀態(tài)，它們以一種稱為自旋相關(guān)讀數(shù)的技術(shù)發(fā)射更多或更少的光子。

在實驗中，研究人員試圖評估用于在晶格缺陷上產(chǎn)生應(yīng)變的聲能與發(fā)射光子指示的自旋躍遷之間的關(guān)系。當晶體中的缺陷自然發(fā)熒光時，附加應(yīng)變會導(dǎo)致電子的自旋改變狀態(tài)，從而導(dǎo)致對自旋狀態(tài)的相干操縱，可以通過光學(xué)方法對其進行測量。

“我們希望看到聲音應(yīng)變和光響應(yīng)之間的耦合，但是要確切了解它們之間的耦合，您需要既知道要施加多少應(yīng)變，又要獲得更多的光學(xué)響應(yīng)。研究的主要作者Argonne納米科學(xué)家Martin Holt說。

用于產(chǎn)生聲波的電極的寬度大約為5微米，遠大于缺陷本身，缺陷本身由兩個稱為原子空位絡(luò)合物的缺失原子組成。聲波通過交替推動和拉動缺陷而使缺陷應(yīng)變，從而使電子改變自旋。

為了表征晶格和缺陷，Argonne研究人員使用了由美國能源部科學(xué)用戶設(shè)施辦公室的納米級材料中心和先進光子源(APS)共同操作的硬X射線納米探針束線。通過一種稱為頻閃布拉格光柵顯微鏡的新技術(shù)，Holt和他的同事們能夠在整個應(yīng)變周期的許多不同點對缺陷周圍的晶格成像。

Argonne材料科學(xué)家和PME研究人員約瑟夫·赫里曼斯(Joseph Heremans)說：“我們對如何利用聲波操縱原始自旋狀態(tài)以及如何在空間上用X射線繪制應(yīng)變的力學(xué)感興趣。”研究。

Holt補充說：“ X射線精確地測量了晶格畸變。”

頻閃布拉格衍射包括將聲波的頻率與APS儲存環(huán)中電子脈沖的頻率同步?；魻柼卣f，通過這種方式，研究人員基本上能夠“及時凍結(jié)”波浪。這樣一來，他們就可以創(chuàng)建一系列圖像，顯示出在波的每個點處晶格所經(jīng)歷的應(yīng)變。

霍爾特說：“這就好比在池塘中蕩漾著漣漪，并且可以照亮池塘的某個地方。” “您會看到峰到谷的運動，以及谷到峰的運動。”

Heremans補充說：“我們正在直接成像通過該晶體的聲音足跡。” “聲波使晶格彎曲，我們可以在特定的時間點通過晶格的特定點來準確測量出多少晶格彎曲。”

霍爾特說，通過頻閃布拉格布拉格衍射，科學(xué)家可以確定動態(tài)應(yīng)變與缺陷的量子行為之間的直接關(guān)系。在碳化硅中，這種關(guān)系是很容易理解的，但是在其他材料中，該技術(shù)可以揭示出應(yīng)變與其他特性之間令人驚訝的關(guān)系。

霍爾特說：“這項技術(shù)為我們提供了一種方法，可以弄清很多系統(tǒng)中的行為，而對于這些行為我們沒有很好的分析性預(yù)測。”

“這項研究結(jié)合了領(lǐng)先學(xué)術(shù)機構(gòu)的專業(yè)知識和國家實驗室的先進儀器，開發(fā)了一種用于在原子尺度上探測物質(zhì)的新技術(shù)，從而揭示了聲波控制半導(dǎo)體量子技術(shù)的能力。” Argonne高級科學(xué)家兼PME Liew分子工程家族教授David Awschalom，該研究的合作者。