Fremstillingsvenlig SiC kan prale af kvantelegitimationsoplysninger på telekommunikationsbølgelængder

Dekohærens er kvanteteknologiernes forbandelse. I sammenhængende systemer, fasen af ​​bølgefunktionerne, der repræsenterer partiklernes kvantetilstande i systemet, har bestemte relationer mellem hinanden. Dette gør det muligt for kvanteenheder at fungere på en meningsfuld måde, der adskiller sig fra klassiske enheder. Imidlertid, interaktion med verden omkring os fører hurtigt til dekohærens, hvilket gør det sværere at udnytte kvanteeffekter til at forbedre beregningseffektiviteten eller kommunikationssikkerheden. Forskning har vist, at kvantesystemer med imponerende lange kohærenstider er mulige i diamant, men diamant er langt fra producenternes favorit. Nu, forskere ved University of Science and Technology i Hefei og Wuhan University i Kina har vist, at SiC kan prale af nogle af diamantens kvanteværdier med den ekstra fordel ved optisk kontrol ved de bølgelængder, som telekommunikationsindustrien bruger.

De defekter, der værdsættes for kvanteteknologier, er nitrogen-vacancy (NV) centre, hvor et kulstofatom i diamant er erstattet af et nitrogen med et manglende kulstof ved det tilstødende krystalgittersted. Det, der gør denne form for defekt interessant for kvanteteknologier, er, at du kan kontrollere dens kvantespin-tilstande med lys og producere foton-spin-sammenfiltring med lange kohærenstider, selv ved stuetemperatur. Vanskelighederne opstår, når man forsøger at placere teknologien i den virkelige verden i modsætning til laboratoriet. Foton-spin-interaktionerne for NV-centre i diamant har brug for lys ved synlige bølgelængder - telekommunikationsbølgelængder er meget længere. Ud over, disse fint konstruerede enheder skal hackes ud af et af de hårdeste (og dyreste) materialer, man kender, en, som industrien ikke har etableret nanofabrikationsprotokoller for.

Det viser sig, at der er typer af defekter i SiC, som også kan være nyttige til kvanteteknologier. SiC er meget udbredt i kraftelektronik, så der findes allerede kommercielt levedygtige muligheder for at producere SiC-enheder. I løbet af de sidste 10 år, ledige stillinger og divakanser (hvor et eller et par atomer i gitteret er fraværende) i SiC begyndte at tiltrække interesse, da forskere lærte, at de også kunne kontrollere deres spin-tilstande med lys ved stuetemperatur med lange kohærenstider. Observationen af ​​NV-centre i SiC vakte virkelig interesse, da disse var optisk aktive ved de bølgelængder, der blev brugt af telekommunikationsindustrien i modsætning til de kortere synlige bølgelængder, der var nødvendige for at kontrollere spin-tilstande af ledige stillinger og divacances i SiC. "Vi var også interesserede i spørgsmålet om, hvorvidt NV-centre i det tekniske materiale SiC kan styres sammenhængende som dem i diamant, " siger Jin-Shi Xu, forsker ved University of Science and Technology i Kina, Hefei, Anhui og en af ​​de tilsvarende forfattere på rapporten om disse seneste resultater.

Optimeret implantation

Blot at sprænge en prøve med nitrogenatomer kan skabe NV-centre i SiC, da påvirkningen får nitrogenatomer til at træde i stedet for værtsatomer og på samme tid albue et naboatom af vejen. Du kan derefter se, hvordan de skabte defekter opfører sig, og om de kan være nyttige for kvanteteknologier ved at måle forskellige optiske responser, såsom optisk detekterbar magnetisk resonans, fotoluminescens og nul fononlinjer (hvor laserlys exciterer defektens tilstand uden at give eller tage energi fra gittervibrationer).

En komplikation er, at påvirkningen kan sprænge en masse andre værtsatomer af vejen, også, producerer uønskede ledige stillinger og stillinger. Aflysningerne kan vise sig at være særligt besværlige, da de ligner NV-centre med nogle af de optiske mål. Ud over, der er ikke kun mange slags NV-centre med forskellige orienteringer i krystalgitteret, men også mange polymorfer af SiC. "Vi var meget interesserede i NV-centre i 3C-SiC, hvor ZPL [nul phonon line] var i c-band telekommunikationsområdet, men efter at have prøvet mange forskellige prøver, vi kunne stadig ikke finde de tilsvarende ZPL'er, " siger Xu. "Vi vendte derefter til 4H-SiC og opnåede spændende resultater."

Ved at kontrollere udglødningstemperaturen, Xu og andre USTC-forsker Chuan-Feng Li og deres samarbejdspartnere var i stand til at øge signalet fra NV-centrene med hensyn til de ledige stillinger. Justering af andre parametre såsom udglødningstid hjalp også, så de var i stand til at øge koncentrationen af ​​NV-centre med en faktor på seks. "Tidligere folk vidste ikke, om NV-centre kunne isoleres, " siger han. "Vi forsøgte at optimere implantatets fluens og temperatur, og vi fandt endelig ud af, at det virkede."

Med implantationsparametrene optimeret, forskerne testede derefter, hvor meget om nogen sammenhængende optisk kontrol de havde over spin-state-systemet. Når et kvantesystem med to tilgængelige tilstande oplyses af lys med den frekvens, der nøjagtigt svarer til energiforskellen mellem tilstandene, systemet vil bladre mellem tilstande med en karakteristisk frekvens. Ved at måle disse "Rabi-svingninger, "Forskerne kunne bekræfte, at de havde sammenhængende kontrol over deres system, og at dette varer med en sammenhængstid (T ₂ ) på 17,2 μs.

De observerede kohærenstider er stadig kortere end dem for NV-centre i diamant, hvor et T ₂ millisekunder er blevet observeret. Imidlertid, det konkurrerer med de observerede sammenhængstider for divakanser i SiC, med den yderligere fordel at operere ved telekommunikationsbølgelængder. Ud over, forskerne har allerede strategier i tankerne, der kan øge dekohærenstiden yderligere, herunder lavere nitrogenkoncentration og den dynamiske afkoblingsteknologi. Arbejdet udgør et "sammenhængende" argument for yderligere undersøgelser af NV-centre i SiC til kvanteberegning.

© 2020 Science X Network