Decoherentie is de vloek van kwantumtechnologieën. In coherente systemen, de fase van de golffuncties die de kwantumtoestanden van deeltjes in het systeem vertegenwoordigen, hebben duidelijke onderlinge relaties. Hierdoor kunnen kwantumapparaten op een zinvolle manier werken die verschilt van klassieke apparaten. Echter, interactie met de wereld om ons heen leidt snel tot decoherentie, wat het moeilijker maakt om kwantumeffecten te benutten voor het verbeteren van de rekenefficiëntie of communicatiebeveiliging. Onderzoek heeft aangetoond dat kwantumsystemen met indrukwekkend lange coherentietijden mogelijk zijn in diamant, maar diamant is verre van de favoriet voor fabrikanten. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van de University of Science and Technology in Hefei en de Wuhan University in China hebben aangetoond dat SiC kan bogen op enkele van de kwantumverdiensten van diamant met het extra voordeel van optische controle bij de golflengten die door de telecommunicatie-industrie worden gebruikt.

De defecten die worden gewaardeerd voor kwantumtechnologieën zijn stikstof-leegstand (NV) centra, waarin een koolstofatoom in diamant wordt vervangen door een stikstof met een ontbrekende koolstof op de naburige kristalroosterplaats. Wat dit soort defecten interessant maakt voor kwantumtechnologieën, is dat je de kwantumspintoestanden met licht kunt controleren en foton-spin-verstrengeling met lange coherentietijden kunt produceren. zelfs bij kamertemperatuur. De moeilijkheden doen zich voor bij het positioneren van de technologie in de echte wereld in tegenstelling tot het laboratorium. De foton-spin-interacties voor NV-centra in diamant hebben licht nodig op zichtbare golflengten - telecommunicatiegolflengten zijn veel langer. In aanvulling, deze fijn ontworpen apparaten moeten worden gehackt uit een van de moeilijkste (en duurste) materialen die de mens kent, een waarvoor de industrie geen protocollen voor nanofabricage heeft opgesteld.

Het blijkt dat er soorten defecten in SiC zijn die ook nuttig kunnen zijn voor kwantumtechnologieën. SiC wordt veel gebruikt in vermogenselektronica, er bestaan ​​dus al commercieel haalbare mogelijkheden voor het produceren van SiC-apparaten. In de afgelopen 10 jaar, vacatures en divaccies (waar een of een paar atomen in het rooster afwezig zijn) in SiC begonnen belangstelling te trekken toen onderzoekers ontdekten dat ze hun spintoestanden ook konden regelen met licht bij kamertemperatuur met lange coherentietijden. De observatie van NV-centra in SiC wekte echt interesse, omdat deze optisch actief waren bij de golflengten die door de telecommunicatie-industrie worden gebruikt, in tegenstelling tot de kortere zichtbare golflengten die nodig zijn om de spintoestanden van vacatures en divacatures in SiC te beheersen. "We waren ook geïnteresseerd in de vraag of NV-centra in het technische materiaal SiC coherent kunnen worden gecontroleerd zoals die in diamant, " zegt Jin-Shi Xu, onderzoeker aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China, Hefei, Anhui en een van de corresponderende auteurs over het rapport van deze laatste resultaten.

Geoptimaliseerde implantatie

Door simpelweg een monster met stikstofatomen te bestralen, kunnen NV-centra in SiC ontstaan, omdat de impact ervoor zorgt dat stikstofatomen de plaats van gastheeratomen innemen en tegelijkertijd een naburig atoom uit de weg ruimen. Je kunt dan zien hoe de gecreëerde defecten zich gedragen en of ze nuttig kunnen zijn voor kwantumtechnologieën door verschillende optische reacties te meten, zoals optisch detecteerbare magnetische resonantie, fotoluminescentie en fononlijnen nul (waarbij laserlicht de toestand van het defect opwekt zonder energie te geven of te nemen van roostertrillingen).

Een complicatie is dat de impact veel andere gastheeratomen kan wegblazen, te, waardoor ongewenste vacatures en vacatures ontstaan. De verschillen kunnen bijzonder lastig blijken te zijn, omdat ze met sommige optische metingen op NV-centra lijken. In aanvulling, er zijn niet alleen veel soorten NV-centra met verschillende oriëntaties binnen het kristalrooster, maar ook veel polymorfen van SiC. "We waren zeer geïnteresseerd in NV-centra in 3C-SiC met de ZPL [zero phonon line] in het c-band telecombereik, maar na het proberen van veel verschillende monsters, we konden de bijbehorende ZPL's nog steeds niet detecteren, ", zegt Xu. "We zijn toen overgestapt op de 4H-SiC en hebben opwindende resultaten behaald."

Door de gloeitemperatuur te regelen, Xu en collega USTC-onderzoeker Chuan-Feng Li en hun medewerkers waren in staat om het signaal van de NV-centra met betrekking tot de divaccies te vergroten. Het aanpassen van andere parameters, zoals de gloeitijd, hielp ook om de concentratie van NV-centra met een factor zes te verhogen. "Eerder, mensen wisten niet of NV-centra geïsoleerd konden worden, " zegt hij. "We hebben geprobeerd de fluentie en temperatuur van het implantaat te optimaliseren, en we hebben eindelijk ontdekt dat het werkte."

Met geoptimaliseerde implantatieparameters, de onderzoekers testten vervolgens hoeveel coherente optische controle ze hadden over het spin-state systeem. Wanneer een kwantumsysteem met twee beschikbare toestanden wordt verlicht door licht met een frequentie die exact gelijk is aan het energieverschil tussen de toestanden, het systeem zal wisselen tussen toestanden met een karakteristieke frequentie. Door deze "Rabi-oscillaties" te meten, " konden de onderzoekers bevestigen dat ze coherente controle hadden over hun systeem, en dat dit duurt met een coherentietijd (T ₂ ) van 17,2 µs.

De waargenomen coherentietijden zijn nog steeds korter dan die voor NV-centra in diamant waar een T ₂ milliseconden is waargenomen. Echter, het concurreert met de coherentietijden die worden waargenomen voor verschillen in SiC, met als bijkomend voordeel dat het werkt op telecommunicatiegolflengten. In aanvulling, de onderzoekers hebben al strategieën in gedachten die de decoherentietijd verder kunnen verlengen, inclusief lagere stikstofconcentratie en de dynamische ontkoppelingstechnologie. Het werk vormt een "samenhangend" argument voor verder onderzoek van NV-centra in SiC voor kwantumcomputers.

© 2020 Wetenschap X Netwerk