_ Cum defectele semiconductoarelor ar putea stimula cuantica tehnologie

La diamante (și alte materiale semiconductoare), defectele sunt cel mai bun prieten al senzorului cuantic. Asta pentru că defectele, în esență un aranjament împins de atomi, conțin uneori electroni cu un moment unghiular, sau spin, care pot stoca și procesa informații. Acest „grad de libertate de rotație” poate fi valorificat pentru o serie de scopuri, cum ar fi detectarea câmpurilor magnetice sau realizarea unei rețele cuantice.

Cercetătorii conduși de Greg Fuchs, Ph.D. '07, profesor de fizică aplicată și de inginerie la Cornell Engineering, a căutat un astfel de spin în popularul semiconductor nitrură de galiu și a găsit-o, în mod surprinzător, în două specii distincte de defecte, dintre care una poate fi manipulată pentru viitoare aplicații cuantice.

Hârtia grupului, „Room Temperature Optical Detected Magnetic Resonance of Single Spins in GaN”, a fost publicată în Nature Materials. Autorul principal este doctorand Jialun Luo.

Defectele sunt cele care dau culoarea pietrelor prețioase și, din acest motiv, sunt cunoscute și ca centre de culoare. Diamantele roz, de exemplu, își iau nuanța din defecte numite centre de azot liber. Cu toate acestea, există multe centre de culoare care nu au fost încă identificate, chiar și în materialele care sunt utilizate în mod obișnuit.

„Nitrura de galiu, spre deosebire de diamant, este un semiconductor matur. A fost dezvoltat pentru bandgap mare. electronică de frecvență și acesta a fost un efort foarte intens de-a lungul multor, mulți ani”, a spus Fuchs. „Puteți merge să cumpărați o napolitană din ea; este probabil în încărcătorul computerului sau în mașina electrică. Dar în ceea ce privește un material pentru defecte cuantice, nu a fost explorat foarte mult.”

În Pentru a căuta gradul de libertate de spin în nitrură de galiu, Fuchs și Luo au făcut echipă cu Farhan Rana, profesorul de inginerie Joseph P. Ripley și studentul doctorat Yifei Geng, cu care au explorat anterior materialul.

Grupul a folosit microscopia confocală pentru a identifica defectele prin intermediul sondelor fluorescente și apoi a efectuat o serie de experimente, cum ar fi măsurarea modului în care rata de fluorescență a unui defect se modifică în funcție de câmpul magnetic și utilizarea unui câmp magnetic mic pentru a determina rotația defectului. transmisii rezonante, toate la temperatura camerei.

„La început, datele preliminare au arătat semne de structuri de spin interesante, dar nu am putut conduce rezonanța de spin”, a spus Luo. „Se pare că trebuia să cunoaștem axele de simetrie a defectelor și să aplicăm un câmp magnetic în direcția corectă pentru a sonda rezonanțe; rezultatele ne-au adus mai multe întrebări care așteptau să fie rezolvate.”

Experimentele au arătat. materialul avea două tipuri de defecte cu spectre de spin distincte. Într-una, spin-ul a fost cuplat la o stare excitată metastabilă; în celălalt, a fost cuplat la starea fundamentală.

În acest din urmă caz, cercetătorii au putut vedea modificări de fluorescență de până la 30% atunci când au condus tranziția de spin - o schimbare mare în contrast și relativ rar pentru un spin cuantic la temperatura camerei.

„De obicei, fluorescența și spinul sunt legate foarte slab împreună, așa că atunci când schimbați proiecția de spin, fluorescența s-ar putea schimba cu 0,1% sau ceva foarte, foarte mic", a spus Fuchs. „Din punct de vedere al tehnologiei, asta nu este grozav pentru că vrei o schimbare mare, astfel încât să o poți măsura rapid și eficient.”

Cercetătorii au efectuat apoi un experiment de control cuantic. Ei au descoperit că pot manipula spin-ul stării fundamentale și că acesta avea coerență cuantică - o calitate care permite biților cuantici, sau qubiților, să-și păstreze informațiile.

„Este ceva destul de interesant în legătură cu această observație”, a spus Fuchs. „Mai sunt de făcut o mulțime de muncă fundamentală și există mult mai multe întrebări decât răspunsuri. Dar descoperirea de bază a spinului în acest centru de culoare, faptul că are un contrast puternic de rotație de până la 30%, că există într-un material semiconductor matur, care ne deschide tot felul de posibilități interesante pe care acum suntem încântați să le explorăm.”

(Fluierul)