Ученые из Германии и России разработали способ управления спинами центров окраски в карбиде кремния с помощью поверхностных акустических волн. Такой метод пригоден для создания устройств квантовой памяти.
В эксперименте в качестве кубитов — квантовых носителей информации — применялись дефекты структуры карбида кремния (SiC). центрами окраскиМатериал начинает поглощать свет в ранее нехарактерном спектре, приводя к появлению пространственно фиксированных электронных спинов, состояние которых можно управлять для записи информации в виде направления спина. Для таких задач раньше воздействовали на электронные спины электрическим или магнитным полем, а также оптически. В новом исследовании ученые предложили механический способ — посредством поверхностных акустических волн.
Магнитное поле настраивает резонансные частоты электронного спина под частоту акустической волны, а лазер переводит его из основного состояния в возбужденное. При возвращении в основное спиновое состояние центр окраски испускает квант света, по которому можно определить состояние спина. Благодаря поверхностным акустическим волнам — звуковым колебаниям на поверхности твердого тела, подобным морским волнам — ученые могут одновременно контролировать как основное, так и возбужденное состояния.
Существует процесс, приводящий к потере информации — прецессия спина. Так как спин — воображаемая ось вращения частицы, можно упомянуть аналогии с вращением волчка: продолжая вращаться вокруг своей оси, он может отклоняться от вертикального положения, это и называют… прецессиейЭлектронный спин тоже демонстрирует подобное поведение: при переходах из основного в возбужденное состояние и обратно ось прецессии меняет направление. Большое расхождение направлений осей прецессии в двух состояниях влечет за собой неконтролируемую смену ориентации спина, что приводит к потере квантовой информации уже после нескольких таких переходов.
Ученые в своей работе продемонстрировали способ предотвращения этого: корректная настройка резонансных частот центра окраски при переходе между состояниями обеспечивает сохранение прецессионной ориентации. В результате сохраняется и записaнная информация.
Новый метод акустического управления позволяет обрабатывать квантовую информацию в устройствах размером с современные микросхемы.
Статья с результатами исследования опубликована в журнале Science Advances.