Скрытая потеря энергии в дефектах карбида кремния важна для кубитов

Крошечные дефекты в кристаллах могут терять энергию по пути, который прежние модели недооценивали, показали исследователи Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (UChicago PME). Их новый вычислительный метод, описанный в Physical Review Letters, моделирует весь оптический цикл спинового дефекта и показал, что в карбиде кремния процесс, называемый внутренней конверсией, играет гораздо большую роль, чем ожидалось.

Дефекты как кирпичики квантовых технологий

Когда свет попадает на дефект внутри материала вроде алмаза или карбида кремния, он может передать энергию электронам и перевести их в возбуждённое состояние. Такие дефекты, называемые спиновыми, могут стать элементами будущих квантовых технологий. Они способны работать как устойчивые кубиты, состояния которых можно считывать, и потому привлекательны для квантовых сенсоров. Но предсказать, как со временем меняется их энергия, по-прежнему очень трудно.

После возбуждения лазером спиновый дефект может вернуться в состояние с меньшей энергией несколькими путями: испустить фотон, перейти между состояниями с разными спинами или передать энергию колебаниям окружающих атомов. Последний путь и есть внутренняя конверсия. Первые два хорошо описываются уравнениями квантовой механики, а вот расчёт потери энергии через колебания атомов вычислительно сложен.

«Хотя уравнения известны, точно описать процесс трудно из-за вычислительных сложностей, — сказал Стефано Виллани, постдок и первый автор работы. — Нужно учесть сложные взаимодействия электронов с окружающими атомами, а это непросто в реальных твёрдых телах, которые описываются моделями из сотен или тысяч атомов».

Как это посчитать

Старший автор Джулия Галли, Виллани и Юй Цзинь объединили несколько вычислительных методов, которые их группа разрабатывала много лет. Они описали возбуждённые состояния дефектов математическими конструкциями — многочастичными волновыми функциями — и точно вывели, насколько сильно каждое возбуждённое состояние связано с движением соседних атомов. Это позволило рассчитать, как электронное состояние связано сразу со всеми возможными колебаниями сотен окружающих атомов, а не по одной конфигурации. Цзинь, бывший аспирант группы Галли, теперь работает в Институте Флэтайрон в Нью-Йорке.

Метод встроен в WEST — программу моделирования с открытым кодом, оптимизированную для графических процессоров, которую группа Галли развивает последние десять лет.

Неожиданность в карбиде кремния

Сначала команда проверила метод на азотно-вакансионном центре в алмазе — хорошо изученном дефекте. Расчёты близко совпали с недавними спектроскопическими измерениями. Для триплетных состояний внутренняя конверсия вносила в потерю энергии малый вклад, а для синглетных была главным механизмом — как и ожидали учёные.

Картина изменилась для дивакансионного дефекта в карбиде кремния. Там внутренняя конверсия влияет на время жизни возбуждённого триплетного состояния гораздо сильнее, чем учитывали прежние модели, и это помогло объяснить давнее расхождение между теорией и экспериментом. «Мы ожидали увидеть эффект, но меньшей величины, — сказала Галли. — Оказалось, что внутренняя конверсия важнее, чем мы думали».

Что дальше

Исследователи из других институтов теперь могут применять метод через WEST, хотя расчёты по-прежнему требуют значительных вычислительных мощностей. Команда ищет способы их сократить, в том числе с помощью машинного обучения, и распространяет подход на спиновые дефекты в кремнии и на материалы для энергетических технологий, где внутренняя конверсия тоже определяет передачу и потерю энергии. «Мы добавили недостающий фрагмент, нужный для полного описания оптического цикла спиновых дефектов», — сказала Галли.

Больше новостей исследований — в нашем разделе науки.