科學(xué)家觀察到聲學(xué)相互作用如何在原子級(jí)改變材料

當(dāng)承受應(yīng)力和應(yīng)變時(shí)，材料會(huì)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(shí)在多種狀態(tài)下編碼信息的材料，從而可以進(jìn)行更有效的計(jì)算。

在美國能源部阿貢國家實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(shí)碳化硅晶體的空間變化。應(yīng)變掩蓋其中的缺陷。這項(xiàng)工作是根據(jù)最近的一項(xiàng)較早的研究進(jìn)行的，在該研究中，研究人員觀察到當(dāng)材料同樣受到應(yīng)變時(shí)，缺陷電子的自旋態(tài)會(huì)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(dāng)單個(gè)分子態(tài)并充當(dāng)量子信息的載體。當(dāng)陷在缺陷附近的電子在自旋狀態(tài)之間改變時(shí)，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(shí)驗(yàn)中，研究人員試圖評(píng)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(dāng)晶體中的缺陷自然發(fā)熒光時(shí)，附加應(yīng)變會(huì)導(dǎo)致電子的自旋改變狀態(tài)，從而導(dǎo)致對(duì)自旋狀態(tài)的相干操縱，可以通過光學(xué)方法對(duì)其進(jìn)行測(cè)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(yuǎn)大于缺陷本身，缺陷本身由兩個(gè)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(dòng)和拉動(dòng)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(jí)材料中心和先進(jìn)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(gè)應(yīng)變周期的許多不同點(diǎn)對(duì)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(duì)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(bǔ)充說：“ X射線精確地測(cè)量了晶格畸變。”

頻閃布拉格衍射包括將聲波的頻率與APS儲(chǔ)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(shí)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(gè)點(diǎn)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(gè)地方。” “您會(huì)看到峰到谷的運(yùn)動(dòng)，以及谷到峰的運(yùn)動(dòng)。”

Heremans補(bǔ)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(shí)間點(diǎn)通過晶格的特定點(diǎn)來準(zhǔn)確測(cè)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(dòng)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(xiàng)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(duì)于這些行為我們沒有很好的分析性預(yù)測(cè)。”

“這項(xiàng)研究結(jié)合了領(lǐng)先學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)的專業(yè)知識(shí)和國家實(shí)驗(yàn)室的先進(jìn)儀器，開發(fā)了一種用于在原子尺度上探測(cè)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(jí)科學(xué)家兼PME Liew分子工程家族教授David Awschalom，該研究的合作者。