فقدان الطاقة الخفي في عيوب كربيد السيليكون مهم للكيوبتات

يمكن للعيوب الدقيقة في البلورات أن تفقد الطاقة عبر مسار قلّلت النماذج السابقة من شأنه، بحسب باحثين في كلية بريتزكر للهندسة الجزيئية بجامعة شيكاغو (UChicago PME). وتحاكي طريقتهم الحسابية الجديدة، التي نُشرت في مجلة Physical Review Letters، الدورة الضوئية الكاملة لعيب السبين، وأظهرت أن عملية تُسمى التحويل الداخلي أهم بكثير مما كان متوقعًا في كربيد السيليكون.

العيوب كلبنات بناء للتقنيات الكمومية

عندما يسقط الضوء على عيب داخل مادة مثل الألماس أو كربيد السيليكون، يمكنه نقل الطاقة إلى الإلكترونات ودفعها إلى حالة مثارة. وهذه العيوب، المعروفة بعيوب السبين، قد تصبح لبنات بناء للتقنيات الكمومية المستقبلية. فهي تعمل ككيوبتات مستقرة يمكن قراءة حالاتها، ما يجعلها جذابة لأجهزة الاستشعار الكمومية. غير أن التنبؤ بكيفية تغير طاقتها بمرور الوقت ظل تحديًا كبيرًا.

بعد أن يثير الليزر عيب السبين، يمكنه العودة إلى حالته الأقل طاقة بعدة طرق: يمكنه إطلاق فوتون، أو الانتقال بين حالات ذات سبين مختلف، أو تسليم طاقته لاهتزازات الذرات المحيطة. وهذا المسار الأخير هو التحويل الداخلي. وتصف معادلات ميكانيكا الكم الطريقتين الأوليين جيدًا، لكن حساب فقدان الطاقة عبر الاهتزازات الذرية صعب حاسوبيًا.

قال ستيفانو فيلاني، الباحث في مرحلة ما بعد الدكتوراه والمؤلف الأول للدراسة: «رغم أن المعادلات معروفة، من الصعب وصف العملية بدقة بسبب الصعوبات الحسابية. عليك أن تأخذ في الحسبان تفاعلات معقدة بين الإلكترونات والذرات المحيطة، وهذا صعب في المواد الصلبة الواقعية التي تمثلها نماذج تضم مئات أو آلاف الذرات».

طريقة لحسابها

جمعت جوليا غالي، المؤلفة الرئيسية، مع فيلاني ويو جين عدة تقنيات حسابية طورتها مجموعتهم على مدى سنوات طويلة. فقد مثّلوا الحالات المثارة للعيوب بأوصاف رياضية تُسمى الدوال الموجية متعددة الأجسام، واشتقوا بدقة مدى قوة اقتران كل حالة مثارة بحركة الذرات المجاورة. وسمح لهم ذلك بحساب كيفية ارتباط حالة إلكترونية بجميع الاهتزازات الممكنة لمئات الذرات المحيطة دفعة واحدة، بدلًا من تكوين واحد في كل مرة. ويعمل جين، وهو طالب دراسات عليا سابق في مجموعة غالي، الآن في معهد فلاتايرون في نيويورك.

وقد أُدمج هذا الإطار في WEST، وهو برنامج محاكاة مفتوح المصدر مُحسَّن لوحدات معالجة الرسومات، طورته مجموعة غالي على مدى العقد الماضي.

مفاجأة في كربيد السيليكون

اختبر الفريق الطريقة أولًا على مركز النيتروجين-الشاغر في الألماس، وهو عيب مدروس على نطاق واسع. وتطابقت الحسابات بدقة مع قياسات طيفية حديثة. ففي الحالات الثلاثية أسهم التحويل الداخلي قليلًا في فقدان الطاقة، بينما كان في الحالات الأحادية الآلية الرئيسية، وكلاهما كما توقع العلماء.

تغيرت الصورة مع عيب الشاغرين المزدوج في كربيد السيليكون. فهناك يؤثر التحويل الداخلي في عمر الحالة الثلاثية المثارة تأثيرًا أكبر بكثير مما أخذته النماذج السابقة في الاعتبار، ما ساعد في تفسير خلاف قديم بين النظرية والتجربة. وقالت غالي: «كنا نتوقع أن نرى تأثيرًا، لكن بحجم أصغر. وما وجدناه هو أن عملية التحويل الداخلي هذه أهم مما كنا نعتقد».

ما التالي

يمكن للباحثين في مؤسسات أخرى الآن تطبيق هذا الإطار عبر WEST، مع أن المحاكاة لا تزال تتطلب قدرة حاسوبية كبيرة. ويستكشف الفريق سبلًا لتقليلها، منها التعلم الآلي، ويوسّع المنهج ليشمل عيوب السبين في السيليكون والمواد المستخدمة في تقنيات الطاقة، حيث يحكم التحويل الداخلي أيضًا كيفية انتقال الطاقة أو فقدانها. وقالت غالي: «قدمنا القطعة المفقودة من اللغز اللازمة لوصف الدورة الضوئية لعيوب السبين وصفًا كاملًا».

تعرّف على مزيد من أخبار الأبحاث في قسم العلوم لدينا.