När du utsätts för stress och påfrestningar, material kan uppvisa en lång rad olika egenskaper. Genom att använda ljudvågor, forskare har börjat utforska grundläggande stressbeteenden i ett kristallint material som kan utgöra grunden för kvantinformationsteknik. Dessa teknologier involverar material som kan koda information i ett antal tillstånd samtidigt, möjliggör effektivare beräkningar.

I en ny upptäckt av forskare vid det amerikanska energidepartementets Argonne National Laboratory och Pritzker School of Molecular Engineering (PME) vid University of Chicago, forskare använde röntgenstrålar för att observera rumsliga förändringar i en kiselkarbidkristall när de använde ljudvågor för att spänna begravda defekter inuti den. Arbetet följer på en tidigare nyligen genomförd studie där forskarna observerade förändringar i spinntillståndet för defektens elektroner när materialet var på samma sätt ansträngt.

Eftersom dessa defekter är väl isolerade i kristallen, de kan fungera som ett enda molekylärt tillstånd och som bärare av kvantinformation. När elektronerna som fångas nära defekterna ändras mellan spinntillstånd, de avger energi i form av fotoner. Beroende på vilket tillstånd elektronerna befinner sig i, de avger antingen fler eller färre fotoner i en teknik som kallas spinnberoende avläsning.

I experimentet, forskarna försökte bedöma sambandet mellan ljudenergin som används för att producera spänningen på defekterna i kristallgittret och spinövergångarna som indikeras av de emitterade fotonerna. Medan defekterna i kristallen naturligt fluorescerar, den extra påkänningen gör att elektronens jordsnurr ändrar tillstånd, vilket resulterar i en koherent manipulation av spinntillståndet som kan mätas optiskt.

"Vi ville se kopplingen mellan ljudpåfrestningen och ljusresponsen, men för att se exakt vad kopplingen mellan dem är, du måste veta både hur mycket påfrestning du utövar, och hur mycket mer optisk respons du får ut, " sa Argonne nanoforskaren Martin Holt, huvudförfattaren till studien.

Elektroderna som används för att generera ljudvågorna är ungefär fem mikron breda, mycket större än själva defekterna, som består av två saknade atomer som kallas ett divakanskomplex. Ljudvågen belastar defekterna genom att växelvis trycka och dra i dem, får elektronerna att ändra sina snurr.

För att karakterisera gallret och defekterna, Argonne-forskare använde Hard X-ray Nanoprobe beamline som drivs gemensamt vid laboratoriets Center for Nanoscale Materials and Advanced Photon Source (APS), både DOE Office of Science användarfaciliteter. Genom en nyutvecklad teknik som kallas stroboskopisk Bragg-diffraktionsmikroskopi, Holt och hans kollegor kunde avbilda gallret runt defekterna på många olika punkter under töjningscykeln.

"Vi är intresserade av hur man manipulerar det ursprungliga spinntillståndet med akustiska vågor, och hur du rumsligt kan kartlägga stammens mekanik med röntgenstrålar, " sa Argonne materialforskare och PME-personalforskaren Joseph Heremans, en annan författare till studien.

"Röntgenstrålarna mäter exakt gitterförvrängningen, " tillade Holt.

Stroboskopisk Bragg-diffraktion innebär att frekvensen av den akustiska vågen synkroniseras med frekvensen av elektronpulserna i APS:s lagringsring. På det här sättet, forskarna kunde i princip "frysa vågen i tid, " enligt Holt. Detta gjorde det möjligt för dem att skapa en serie bilder av spänningen som upplevs av gittret vid varje punkt på vågen.

"Det är som om du hade krusningar i en damm, och du kunde lysa på en plats i dammen, " sa Holt. "Du skulle se en rörelse från topp till dal, och dalen till toppen."

"Vi avbildar direkt ljudets fotavtryck som går genom denna kristall, " tillade Heremans. "Ljudvågorna får gallret att kröka sig, och vi kan mäta exakt hur mycket gittret kurvor genom att gå igenom en specifik punkt i gittret vid en specifik tidpunkt."

Användningen av stroboskopisk Bragg-diffraktion gör det möjligt för forskare att bestämma den direkta korrelationen mellan den dynamiska belastningen och defektens kvantbeteende, sa Holt. I kiselkarbid, detta förhållande är ganska väl förstått, men i andra material kunde tekniken avslöja överraskande samband mellan töjning och andra egenskaper.

"Denna teknik öppnar ett sätt för oss att ta reda på beteendet i många system där vi inte har en bra analytisk förutsägelse om vad relationen borde vara, sa Holt.

"Denna studie kombinerar expertis från en ledande akademisk institution med toppmodern instrumentering från ett nationellt laboratorium för att utveckla en ny teknik för att undersöka materia i atomär skala, avslöjar ljudvågornas förmåga att kontrollera halvledarkvantteknologier, ", tillade Argonne seniorforskare och PME Liew familjeprofessor i molekylär teknik David Awschalom, en samarbetspartner i forskningen.

Ett papper baserat på studien, "Korrelerar dynamisk töjning och fotoluminescens av solid state-defekter med stroboskopisk röntgendiffraktionsmikroskopi, " dök upp i onlineupplagan den 29 juli av Naturkommunikation .