Прихована втрата енергії в дефектах карбіду кремнію важлива для кубітів

Крихітні недосконалості кристалів можуть втрачати енергію шляхом, який раніші моделі недооцінювали, повідомляють дослідники Школи молекулярної інженерії Прітцкера Чиказького університету (UChicago PME). Їхній новий обчислювальний метод, описаний у Physical Review Letters, симулює весь оптичний цикл спінового дефекту й показав, що в карбіді кремнію процес, який називають внутрішньою конверсією, важить значно більше, ніж очікувалося.

Дефекти як будівельні блоки квантових технологій

Коли світло потрапляє на недосконалість усередині матеріалу, як-от алмаз чи карбід кремнію, воно може передати енергію електронам і перевести їх у збуджений стан. Ці недосконалості, відомі як спінові дефекти, можуть стати будівельними блоками майбутніх квантових технологій. Вони можуть працювати як стабільні кубіти, стани яких можна зчитувати, що робить їх привабливими для квантових сенсорів. Проте передбачити, як їхня енергія змінюється з часом, досі залишається серйозним викликом.

Після того як лазер збуджує спіновий дефект, він може повернутися до стану з нижчою енергією кількома способами: випустити фотон, перейти між станами з різним спіном або передати свою енергію коливанням навколишніх атомів. Саме останній шлях і є внутрішньою конверсією. Рівняння квантової механіки добре описують перші два, але обчислити втрату енергії через коливання атомів складно з обчислювального погляду.

«Хоча рівняння відомі, точно описати цей процес важко через обчислювальні труднощі, — сказав Стефано Вілляні, постдокторант і перший автор дослідження. — Потрібно враховувати складні взаємодії між електронами та навколишніми атомами, а це непросто в реалістичних твердих тілах, які представлені моделями зі сотнями чи тисячами атомів».

Спосіб це обчислити

Джулія Галлі, старша авторка, Вілляні та Ю Цзінь об'єднали кілька обчислювальних технік, які їхня група розвивала впродовж багатьох років. Вони описали збуджені стани дефектів математичними конструкціями, що називаються багаточастинковими хвильовими функціями, і точно вивели, наскільки сильно кожен збуджений стан зв'язаний з рухом сусідніх атомів. Це дозволило обчислити, як електронний стан пов'язаний одразу з усіма можливими коливаннями сотень навколишніх атомів, а не з однією конфігурацією за раз. Цзінь, колишній аспірант групи Галлі, тепер працює в Інституті Флетайрон у Нью-Йорку.

Цей підхід вбудовано в WEST — програму симуляції з відкритим кодом, оптимізовану для графічних процесорів, яку група Галлі розробляла протягом останнього десятиліття.

Сюрприз у карбіді кремнію

Спершу команда випробувала метод на азотно-вакансійному центрі в алмазі, широко вивченому дефекті. Розрахунки добре збіглися з недавніми спектроскопічними вимірюваннями. У триплетних станах внутрішня конверсія мало впливала на втрату енергії, тоді як у синглетних вона була головним механізмом, і те, і те — як і очікували вчені.

Картина змінилася для дивакансійного дефекту в карбіді кремнію. Там внутрішня конверсія впливає на час життя збудженого триплетного стану значно сильніше, ніж враховували раніші моделі, що допомогло пояснити давню розбіжність між теорією та експериментом. «Ми очікували побачити ефект, але меншого масштабу, — сказала Галлі. — Виявилося, що цей процес внутрішньої конверсії важливіший, ніж ми думали».

Що далі

Дослідники з інших установ тепер можуть застосовувати цей підхід через WEST, хоча симуляції досі потребують значних обчислювальних потужностей. Команда шукає способи їх зменшити, зокрема за допомогою машинного навчання, і поширює підхід на спінові дефекти в кремнії та на матеріали, що використовуються в енергетичних технологіях, де внутрішня конверсія також визначає, як передається або втрачається енергія. «Ми надали відсутній елемент пазла, потрібний для повного опису оптичного циклу спінових дефектів», — сказала Галлі.

Більше новин про дослідження читайте в нашому розділі науки.