碳化硅缺陷中隐藏的能量损失对量子比特至关重要

芝加哥大学普利兹克分子工程学院(UChicago PME)的研究人员表示,晶体中的微小缺陷可能通过一条以往模型低估的途径损失能量。他们在《物理评论快报》(Physical Review Letters)上报告的新计算方法可模拟自旋缺陷的完整光学循环,并显示在碳化硅中,一种称为内转换的过程比预期重要得多。

缺陷是量子技术的基石

当光照射到金刚石或碳化硅等材料内部的缺陷时,可以将能量传递给电子,使其进入激发态。这些被称为自旋缺陷的瑕疵有望成为未来量子技术的基石。它们可以充当状态可被读取的稳定量子比特,因此对量子传感器很有吸引力。然而,预测它们的能量如何随时间变化,仍然是一大难题。

激光激发自旋缺陷后,它可以通过多种方式回到低能态:可以释放光子,可以在不同自旋的状态之间跃迁,也可以把能量交给周围原子的振动。最后一种途径就是内转换。量子力学方程能很好地描述前两种,但计算通过原子振动造成的能量损失在计算上非常困难。

“虽然方程是已知的,但由于计算上的困难,很难准确描述这一过程,”博士后研究员、该研究的第一作者斯特凡诺·维拉尼(Stefano Villani)说。“你需要考虑电子与周围原子之间复杂的相互作用,而在由数百或数千个原子的模型表示的真实固体中,这很有挑战性。”

一种计算方法

资深作者朱莉娅·加利(Giulia Galli)、维拉尼和金宇(Yu Jin)结合了其团队多年来开发的几种计算技术。他们用称为多体波函数的数学描述来表示缺陷的激发态,并精确推导出每个激发态与附近原子运动的耦合强度。这使他们能够计算一个电子态如何同时与数百个周围原子的所有可能振动相联系,而不是一次只考虑一种构型。金宇是加利团队的前研究生,现任职于纽约的弗拉蒂隆研究所。

该框架已集成到WEST中,这是加利团队在过去十年中开发的、针对图形处理器优化的开源模拟程序。

碳化硅中的意外

团队首先在金刚石中的氮空位中心这一被广泛研究的缺陷上测试了该方法。计算结果与最近的光谱测量高度吻合。对于三重态,内转换对能量损失的贡献很小,而在单重态中,它是主要机制,两者都与科学家的预期一致。

碳化硅中的双空位缺陷则情况不同。在那里,内转换对激发三重态寿命的影响远大于早期模型所考虑的,这有助于解释理论与实验之间长期存在的分歧。“我们预计会看到一种效应,但幅度要小一些,”加利说。“我们发现,这种内转换过程比我们想象的更重要。”

接下来

其他机构的研究人员现在可以通过WEST应用这一框架,不过模拟仍需要相当大的计算能力。团队正在探索降低这一需求的方法,包括机器学习,并将该方法扩展到硅中的自旋缺陷以及能源技术所用的材料,在这些材料中,内转换同样决定着能量如何转移或损失。“我们提供了完整描述自旋缺陷光学循环所缺失的那块拼图,”加利说。

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