La pérdida oculta de energía en defectos del carburo de silicio importa

Las diminutas imperfecciones de los cristales pueden perder energía por una vía que los modelos anteriores subestimaban, según investigadores de la Escuela Pritzker de Ingeniería Molecular de la Universidad de Chicago (UChicago PME). Su nuevo método computacional, publicado en Physical Review Letters, simula el ciclo óptico completo de un defecto de espín y mostró que en el carburo de silicio un proceso llamado conversión interna importa mucho más de lo esperado.

Los defectos como piezas básicas de la tecnología cuántica

Cuando la luz incide sobre una imperfección dentro de un material como el diamante o el carburo de silicio, puede transferir energía a los electrones y llevarlos a un estado excitado. Estas imperfecciones, conocidas como defectos de espín, podrían convertirse en los componentes básicos de las futuras tecnologías cuánticas. Pueden funcionar como cúbits estables cuyos estados se pueden leer, lo que los hace atractivos para los sensores cuánticos. Sin embargo, predecir cómo cambia su energía con el tiempo sigue siendo un reto importante.

Después de que un láser excite un defecto de espín, este puede volver a su estado de menor energía de varias maneras: puede emitir un fotón, pasar entre estados con distinto espín o ceder su energía a las vibraciones de los átomos circundantes. Esta última vía es la conversión interna. Las ecuaciones de la mecánica cuántica describen bien las dos primeras, pero calcular la pérdida de energía a través de las vibraciones atómicas es computacionalmente difícil.

«Aunque las ecuaciones se conocen, es difícil describir el proceso con precisión por las dificultades computacionales», dijo Stefano Villani, investigador posdoctoral y primer autor del estudio. «Hay que tener en cuenta interacciones complejas entre los electrones y los átomos circundantes, y eso es un desafío en sólidos realistas representados por modelos con cientos o miles de átomos».

Una forma de calcularlo

Giulia Galli, la autora principal, Villani y Yu Jin combinaron varias técnicas computacionales que su grupo había desarrollado a lo largo de muchos años. Representaron los estados excitados de los defectos mediante descripciones matemáticas llamadas funciones de onda de muchos cuerpos y dedujeron con exactitud con qué intensidad se acopla cada estado excitado al movimiento de los átomos cercanos. Eso les permitió calcular cómo se conecta un estado electrónico con todas las vibraciones posibles de cientos de átomos circundantes a la vez, en lugar de una configuración cada vez. Jin, antiguo estudiante de posgrado del grupo de Galli, trabaja ahora en el Instituto Flatiron de Nueva York.

El marco está integrado en WEST, un programa de simulación de código abierto optimizado para unidades de procesamiento gráfico, que el grupo de Galli ha desarrollado durante la última década.

Una sorpresa en el carburo de silicio

El equipo probó primero el método con el centro nitrógeno-vacante del diamante, un defecto muy estudiado. Los cálculos coincidieron estrechamente con mediciones espectroscópicas recientes. En los estados triplete la conversión interna contribuyó poco a la pérdida de energía, mientras que en los estados singlete fue el mecanismo principal, ambas cosas tal como los científicos esperaban.

El panorama cambió con un defecto de divacante en el carburo de silicio. Allí, la conversión interna influye mucho más en el tiempo de vida del estado triplete excitado de lo que tenían en cuenta los modelos anteriores, lo que ayudó a explicar un desacuerdo de larga data entre la teoría y el experimento. «Esperábamos ver un efecto, pero de menor magnitud», dijo Galli. «Lo que hemos descubierto es que este proceso de conversión interna resulta ser más importante de lo que pensábamos».

Qué viene ahora

Investigadores de otras instituciones ya pueden aplicar el marco a través de WEST, aunque las simulaciones siguen exigiendo una considerable potencia de cálculo. El equipo explora formas de reducirla, entre ellas el aprendizaje automático, y está extendiendo el enfoque a defectos de espín en el silicio y a materiales usados en tecnologías energéticas, donde la conversión interna también rige cómo se transfiere o se pierde la energía. «Hemos aportado la pieza que faltaba del rompecabezas para describir por completo el ciclo óptico de los defectos de espín», dijo Galli.

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