Немецкие и российские исследователи разработали способ управления ориентацией спиновых центров в карбиде кремния с использованием поверхностных акустических волн. Данная технология может быть применена для создания квантовых устройств памяти.
В качестве квантовых битов, служащих для хранения информации, в работе применялись дефекты в кристаллической структуре карбида кремния (SiC), также известные как центрами окраски, материал начинает поглощать свет в ранее не свойственном ему спектре, что указывает на изменение его свойств. В этих областях возникают электронные спины, которые пространственно зафиксированы и могут быть использованы для записи информации, изменяя направление спина. Для управления электронными спинами в подобных задачах ранее применялись электрические или магнитные поля, а также оптическое воздействие. В ходе нового исследования ученые предложили использовать механическое воздействие — поверхностные акустические волны.
В рамках предложенной методики, магнитное поле корректирует резонансные частоты электронного спина, приводя их в соответствие с частотой акустической волны, а лазер переводит спин из основного состояния в возбужденное. При возврате в основное спиновое состояние, центр окраски излучает фотон, позволяющий установить состояние спина. Использование поверхностных акустических волн, представляющих собой звуковые колебания на поверхности твердого тела, аналогичные морским волнам, дает возможность одновременно контролировать как основное, так и возбужденное состояние.
Существует процесс, приводящий к потере информации — прецессия спина. Так как спин представляет собой условную ось вращения частицы, можно провести аналогию с вращением волчка: в процессе вращения вокруг своей оси он может отклоняться от вертикального положения, и это отклонение называется прецессией. Аналогичный процесс наблюдается и для электронного спина: при переходе из основного состояния в возбужденное и обратно изменяется ось прецессии. Существенная разница в направлениях осей прецессии в этих двух состояниях приводит к неконтролируемому изменению ориентации спина, что вызывает потерю квантовой информации уже после нескольких подобных переходов.
Исследователи продемонстрировали способ предотвращения этого явления: корректная настройка резонансных частот центра окраски позволяет сохранить прецессионную ориентацию при переходе между состояниями. Следовательно, сохраняется и зафиксированная информация.
Новый способ акустического воздействия предоставляет перспективные пути для обработки квантовой информации в квантовых устройствах, сопоставимых по размеру с современными микрочипами. Это позволит снизить стоимость и повысить доступность квантовых технологий.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Science Advances.