Bij blootstelling aan stress en spanning, materialen kunnen een breed scala aan verschillende eigenschappen vertonen. Door gebruik te maken van geluidsgolven, wetenschappers zijn begonnen met het onderzoeken van fundamenteel stressgedrag in een kristallijn materiaal dat de basis zou kunnen vormen voor kwantuminformatietechnologieën. Deze technologieën omvatten materialen die informatie in een aantal staten tegelijk kunnen coderen, waardoor een efficiëntere berekening mogelijk is.

In een nieuwe ontdekking door onderzoekers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy en de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) aan de University of Chicago, wetenschappers gebruikten röntgenstralen om ruimtelijke veranderingen in een siliciumcarbidekristal te observeren bij het gebruik van geluidsgolven om begraven defecten erin te spannen. Het werk volgt op een eerder recent onderzoek waarin de onderzoekers veranderingen in de spintoestand van de elektronen van het defect waarnamen toen het materiaal op dezelfde manier werd gespannen.

Omdat deze defecten goed geïsoleerd zijn in het kristal, ze kunnen fungeren als een enkele moleculaire toestand en als dragers van kwantuminformatie. Wanneer de elektronen die in de buurt van de defecten zijn gevangen, veranderen tussen spintoestanden, ze zenden energie uit in de vorm van fotonen. Afhankelijk van in welke staat de elektronen zich bevinden, ze zenden ofwel meer of minder fotonen uit in een techniek die bekend staat als spin-afhankelijke uitlezing.

In het experiment, de onderzoekers probeerden de relatie te beoordelen tussen de geluidsenergie die wordt gebruikt om de spanning op de defecten in het kristalrooster te produceren en de spinovergangen die worden aangegeven door de uitgezonden fotonen. Terwijl de defecten in het kristal van nature fluoresceren, de extra spanning zorgt ervoor dat de grondspin van het elektron van toestand verandert, resulterend in een coherente manipulatie van de spintoestand die optisch kan worden gemeten.

"We wilden de koppeling zien tussen de geluidsbelasting en de lichtrespons, maar om precies te zien wat de koppeling tussen hen is, je moet weten hoeveel spanning je toepast, en hoeveel meer optische respons je krijgt, " zei Argonne nanowetenschapper Martin Holt, de hoofdauteur van de studie.

De elektroden die worden gebruikt om de geluidsgolven te genereren, zijn ongeveer vijf micron breed, veel groter dan de gebreken zelf, die bestaan ​​uit twee ontbrekende atomen die bekend staan ​​als een divacancy-complex. De geluidsgolf spant de defecten door er afwisselend aan te duwen en te trekken, waardoor de elektronen hun spins veranderen.

Om het rooster en de defecten te karakteriseren, Argonne-onderzoekers gebruikten de Hard X-ray Nanoprobe-bundellijn die gezamenlijk werd gebruikt in het Centre for Nanoscale Materials en Advanced Photon Source (APS) van het laboratorium, beide DOE Office of Science Gebruikersfaciliteiten. Door een nieuw ontwikkelde techniek genaamd stroboscopische Bragg-diffractiemicroscopie, Holt en zijn collega's waren in staat om het rooster rond de defecten op veel verschillende punten tijdens de stamcyclus in beeld te brengen.

"We zijn geïnteresseerd in hoe we de oorspronkelijke spintoestand kunnen manipuleren met akoestische golven, en hoe je de mechanica van de stam ruimtelijk in kaart kunt brengen met röntgenstralen, " zei Argonne materiaalwetenschapper en PME-stafwetenschapper Joseph Heremans, een andere auteur van de studie.

"De röntgenstralen meten precies de roostervervorming, ’ voegde Holt eraan toe.

Stroboscopische Bragg-diffractie omvat het synchroniseren van de frequentie van de akoestische golf met de frequentie van de elektronenpulsen in de opslagring van de APS. Op deze manier, de onderzoekers waren in wezen in staat om "de golf in de tijd te bevriezen, " volgens Holt. Hierdoor konden ze een reeks afbeeldingen maken van de spanning die het rooster op elk punt op de golf ervaart.

"Het is alsof je rimpelingen in een vijver hebt, en je zou een licht kunnen schijnen op een plek van de vijver, "Zei Holt. "Je zou een beweging van piek naar dal zien, en van dal tot hoogtepunt."

"We beelden rechtstreeks de voetafdruk van geluid af die door dit kristal gaat, "Hiermans toegevoegd. "De geluidsgolven zorgen ervoor dat het rooster kromt, en we kunnen precies meten hoeveel het rooster kromt door op een bepaald tijdstip door een specifiek punt van het rooster te gaan."

Het gebruik van stroboscopische Bragg-diffractie stelt wetenschappers in staat om de directe correlatie tussen de dynamische spanning en het kwantumgedrag van het defect te bepalen, zei Holt. In siliciumcarbide, deze relatie is redelijk goed begrepen, maar in andere materialen zou de techniek verrassende relaties tussen spanning en andere eigenschappen kunnen onthullen.

"Deze techniek opent een manier voor ons om het gedrag in veel systemen te achterhalen waarin we geen goede analytische voorspelling hebben van wat de relatie zou moeten zijn, ' zei Holt.

"Deze studie combineert expertise van een toonaangevende academische instelling met state-of-the-art instrumentatie van een nationaal laboratorium om een ​​nieuwe techniek te ontwikkelen voor het onderzoeken van materie op atomaire schaal, het onthullen van het vermogen van geluidsgolven om kwantumtechnologieën voor halfgeleiders te controleren, " voegde Argonne senior wetenschapper en PME Liew Family Professor of Molecular Engineering David Awschalom toe, een medewerker aan het onderzoek.

Een paper gebaseerd op de studie, "Het correleren van dynamische spanning en fotoluminescentie van defecten in vaste toestand met stroboscopische röntgendiffractiemicroscopie, " verscheen in de online editie van 29 juli van Natuurcommunicatie .