La perte d'énergie cachée des défauts du carbure de silicium compte

De minuscules imperfections dans les cristaux peuvent perdre de l'énergie par une voie que les modèles antérieurs sous-estimaient, selon des chercheurs de la Pritzker School of Molecular Engineering de l'Université de Chicago (UChicago PME). Leur nouvelle méthode de calcul, publiée dans Physical Review Letters, simule le cycle optique complet d'un défaut de spin et a montré que, dans le carbure de silicium, un processus appelé conversion interne compte bien plus que prévu.

Les défauts, briques de la technologie quantique

Lorsque la lumière frappe une imperfection à l'intérieur d'un matériau comme le diamant ou le carbure de silicium, elle peut transférer de l'énergie aux électrons et les faire passer dans un état excité. Ces imperfections, appelées défauts de spin, pourraient devenir les briques des technologies quantiques de demain. Elles peuvent fonctionner comme des qubits stables dont les états peuvent être lus, ce qui les rend attrayantes pour les capteurs quantiques. Prédire comment leur énergie évolue dans le temps reste cependant un défi majeur.

Après qu'un laser a excité un défaut de spin, celui-ci peut revenir à son état de plus basse énergie de plusieurs façons : il peut émettre un photon, passer entre des états de spin différents ou céder son énergie aux vibrations des atomes environnants. Cette dernière voie est la conversion interne. Les équations de la mécanique quantique décrivent bien les deux premières, mais calculer la perte d'énergie par les vibrations atomiques est difficile sur le plan informatique.

« Bien que les équations soient connues, il est difficile de décrire le processus avec précision en raison de difficultés de calcul », a déclaré Stefano Villani, chercheur postdoctoral et premier auteur de l'étude. « Il faut tenir compte d'interactions complexes entre les électrons et les atomes environnants, et c'est un défi dans des solides réalistes représentés par des modèles de centaines ou de milliers d'atomes. »

Une façon de le calculer

Giulia Galli, l'auteure senior, Villani et Yu Jin ont combiné plusieurs techniques de calcul que leur groupe avait développées pendant de nombreuses années. Ils ont représenté les états excités des défauts par des descriptions mathématiques appelées fonctions d'onde à plusieurs corps et ont déterminé exactement à quel point chaque état excité se couple au mouvement des atomes voisins. Cela leur a permis de calculer comment un état électronique se relie à toutes les vibrations possibles de centaines d'atomes environnants à la fois, plutôt qu'une configuration à la fois. Jin, ancien doctorant du groupe de Galli, travaille désormais au Flatiron Institute à New York.

Le cadre est intégré à WEST, un programme de simulation open source optimisé pour les processeurs graphiques, que le groupe de Galli développe depuis dix ans.

Une surprise dans le carbure de silicium

L'équipe a d'abord testé la méthode sur le centre azote-lacune du diamant, un défaut très étudié. Les calculs ont concordé étroitement avec des mesures spectroscopiques récentes. Pour les états triplets, la conversion interne a peu contribué à la perte d'énergie, tandis que pour les états singulets, elle était le mécanisme principal, les deux conformément aux attentes des scientifiques.

Le tableau a changé pour un défaut de bilacune dans le carbure de silicium. Là, la conversion interne influence beaucoup plus la durée de vie de l'état triplet excité que ne le prévoyaient les modèles antérieurs, ce qui a aidé à expliquer un désaccord ancien entre théorie et expérience. « Nous nous attendions à voir un effet, mais d'une ampleur moindre », a déclaré Galli. « Ce que nous avons constaté, c'est que ce processus de conversion interne est plus important que nous le pensions. »

La suite

Des chercheurs d'autres institutions peuvent désormais appliquer ce cadre via WEST, même si les simulations exigent encore une puissance de calcul considérable. L'équipe explore des moyens de la réduire, notamment l'apprentissage automatique, et étend l'approche aux défauts de spin dans le silicium et aux matériaux utilisés dans les technologies de l'énergie, où la conversion interne gouverne aussi la façon dont l'énergie est transférée ou perdue. « Nous avons fourni la pièce manquante du puzzle pour décrire complètement le cycle optique des défauts de spin », a déclaré Galli.

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