Onderzoekers van het Paul-Drude-Institut in Berlijn, het Helmholtz-Zentrum in Dresden en het Ioffe Instituut in St. Petersburg hebben het gebruik van elastische trillingen aangetoond om de spintoestanden van optisch actieve kleurcentra in SiC bij kamertemperatuur te manipuleren. Ze tonen een niet-triviale afhankelijkheid van de akoestisch geïnduceerde spinovergangen van de spinkwantisatierichting, wat kan leiden tot chirale spin-akoestische resonanties. Deze bevindingen zijn belangrijk voor toepassingen in toekomstige kwantumelektronische apparaten en zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven .

Kleurcentra in vaste stoffen zijn optisch actieve kristallografische defecten die een of meer gevangen elektronen bevatten. Van bijzonder belang voor toepassingen in kwantumtechnologieën zijn optisch adresseerbare kleurcentra, dat is, roosterdefecten waarvan de elektronische spintoestanden selectief kunnen worden geïnitialiseerd en uitgelezen met behulp van licht. Naast initialisatie en uitlezing, het is ook nodig om efficiënte methoden te ontwikkelen om hun spintoestanden te manipuleren, en dus de informatie die erin is opgeslagen. Hoewel dit meestal wordt gerealiseerd door microgolfvelden toe te passen, een alternatieve en efficiëntere methode zou het gebruik van mechanische trillingen kunnen zijn. Onder de verschillende materialen voor de implementatie van dergelijke op spanning gebaseerde technologieën, SiC trekt steeds meer aandacht als een robuust materiaal voor nano-elektromechanische systemen met een ultrahoge gevoeligheid voor trillingen die ook zeer coherente optisch actieve kleurcentra herbergt.

In een recent werk gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , onderzoeken van het Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en het Ioffe Institute hebben het gebruik van elastische trillingen aangetoond om de spintoestanden van optisch actieve kleurcentra in SiC bij kamertemperatuur te manipuleren. In hun studie hebben de auteurs gebruiken de periodieke modulatie van het SiC-kristalrooster om overgangen te induceren tussen de spinniveaus van het silicium-vacaturecentrum, een optisch actief kleurcentrum met spin S=3/2. Van bijzonder belang voor toekomstige toepassingen is het feit dat, in tegenstelling tot de meeste atoomachtige lichtcentra, waar de waarneming van door spanning veroorzaakte effecten het systeem tot zeer lage temperaturen moet koelen, de hier gerapporteerde effecten werden waargenomen bij kamertemperatuur.

Om de roostertrillingen te koppelen aan de silicium-leegstandscentra, de auteurs creëerden eerst selectief dergelijke centra door het SiC te bestralen met protonen. Vervolgens fabriceerden ze een akoestische resonator voor de excitatie van akoestische oppervlaktegolven (SAW) op het SiC. SAW's zijn elastische trillingen beperkt tot het oppervlak van een vaste stof die lijken op seismische golven die tijdens een aardbeving zijn ontstaan. Wanneer de frequentie van de SAW overeenkomt met de resonantiefrequenties van de kleurcentra, de elektronen die erin gevangen zitten, kunnen de energie van de SAW gebruiken om tussen de verschillende spin-subniveaus te springen. Vanwege de speciale aard van de spin-rekkoppeling, de SAW kan sprongen tussen spintoestanden induceren met magnetische kwantumgetalverschillen Δm=±1 en Δm=±2, terwijl microgolf-geïnduceerde degenen zijn beperkt tot Δm =± 1. Dit maakt het mogelijk om volledige controle over de spintoestanden te realiseren met behulp van hoogfrequente trillingen zonder de hulp van externe microgolfvelden.

In aanvulling, vanwege de intrinsieke symmetrie van de SAW-rekvelden in combinatie met de eigenaardige eigenschappen van het half-integer spinsysteem, de intensiteit van dergelijke spinovergangen hangt af van de hoek tussen SAW-voortplanting en spinkwantiseringsrichtingen, die kan worden bestuurd door een extern magnetisch veld. Bovendien, de auteurs voorspellen een chirale spin-akoestische resonantie onder reizende SAW's. Dit betekent dat, onder bepaalde experimentele omstandigheden, de spinovergangen kunnen worden in- of uitgeschakeld door het magnetische veld of de SAW-voortplantingsrichting om te keren.

Deze bevindingen stellen siliciumcarbide vast als een veelbelovend hybride platform voor on-chip spin-optomechanische kwantumcontrole die gemanipuleerde interacties bij kamertemperatuur mogelijk maakt.