Decoherence är banan för kvantteknik. I sammanhängande system, fasen av vågfunktionerna som representerar kvanttillstånden för partiklar i systemet har bestämda relationer mellan varandra. Detta gör att kvantanordningar kan fungera på ett meningsfullt sätt som skiljer sig från klassiska enheter. Dock, interaktion med omvärlden leder snabbt till dekoherens, vilket gör det svårare att utnyttja kvanteffekter för att förbättra beräkningseffektiviteten eller kommunikationssäkerheten. Forskning har visat att kvantsystem med imponerande långa sammanhangstider är möjliga i diamant, men diamant är långt ifrån favoriten för tillverkare. Nu, forskare vid University of Science and Technology i Hefei och Wuhan University i Kina har visat att SiC kan skryta med några av de kvantmässiga fördelarna med diamant med den extra fördelen med optisk kontroll vid de våglängder som används av telekommunikationsindustrin.

De defekter som uppskattas för kvantteknik är centra för kvävevakans (NV), i vilken en kolatom i diamant ersätts av ett kväve med ett saknat kol på det angränsande kristallgitterplatsen. Det som gör denna typ av defekt intressant för kvantteknologi är att du kan styra dess kvantspinntillstånd med ljus och producera foton-snurrande intrassling med långa sammanhängningstider, även vid rumstemperatur. Svårigheterna uppstår när man försöker placera tekniken i den verkliga världen i motsats till labbet. Fotonspinn-interaktionerna för NV-centra i diamant behöver ljus vid synliga våglängder-telekommunikationsvåglängder är mycket längre. Dessutom, dessa finkonstruerade enheter måste hackas ur ett av de svåraste (och dyraste) materialen som man känner till, en som industrin inte har upprättat nanofabrication protokoll för.

Det visar sig att det finns typer av defekter i SiC som också kan vara användbara för kvantteknik. SiC används ofta i kraftelektronik, så det finns redan kommersiellt gångbara vägar för att producera SiC -enheter. Under de senaste 10 åren har lediga platser och avhysningar (där en eller ett par atomer i gallret saknas) i SiC började väcka intresse när forskare fick veta att de också kunde styra sina spinntillstånd med ljus vid rumstemperatur med långa sammanhangstider. Observationen av NV -centra i SiC väckte verkligen intresse, eftersom dessa var optiskt aktiva vid de våglängder som används av telekommunikationsindustrin i motsats till de kortare synliga våglängderna som behövs för att styra spinntillstånden för lediga platser och avvikelser i SiC. "Vi var också intresserade av frågan om NV -centra i det tekniska materialet SiC kan kontrolleras konsekvent som de i diamant, "säger Jin-Shi Xu, forskare vid University of Science and Technology of China, Hefei, Anhui och en av motsvarande författare om rapporten om de senaste resultaten.

Optimerad implantation

Att helt enkelt spränga ett prov med kväveatomer kan skapa NV -centra i SiC, eftersom påverkan gör att kväveatomer tar plats för värdatomer och böjer en närliggande atom ur vägen samtidigt. Du kan sedan se hur de skapade defekterna beter sig och om de kan vara användbara för kvantteknik genom att mäta olika optiska svar, såsom optiskt detekterbar magnetisk resonans, fotoluminescens och nollfononlinjer (där laserljus exciterar defektens tillstånd utan att ge eller ta energi från gittervibrationer).

En komplikation är att påverkan kan spränga många andra värdatomer ur vägen, för, producera oönskade lediga platser och avvikelser. Avvikelserna kan visa sig särskilt besvärliga eftersom de liknar NV -centrum med några av de optiska mätningarna. Dessutom, det finns inte bara många typer av NV -center med olika orienteringar inom kristallgitteret, men många polymorfer av SiC också. "Vi var mycket intresserade av NV-centra i 3C-SiC med ZPL [zero phonon line] i c-band telekomområdet, men efter att ha provat många olika prover, vi kunde fortfarande inte upptäcka motsvarande ZPL, "säger Xu." Vi vände oss sedan till 4H-SiC och fick spännande resultat. "

Genom att kontrollera glödgningstemperaturen, Xu och andra USTC-forskare Chuan-Feng Li och deras medarbetare kunde öka signalen från NV-centren med avseende på avvikelserna. Att justera andra parametrar som glödgningstid hjälpte också så att de kunde öka koncentrationen av NV -centra med en faktor sex. "Tidigare, människor visste inte om NV -centra kunde isoleras, "säger han." Vi försökte optimera implantatets fluens och temperatur, och vi fann äntligen att det fungerade. "

Med implantationsparametrarna optimerade, forskarna testade sedan hur mycket om någon koherent optisk kontroll de hade över spin-state-systemet. När ett kvantsystem med två tillgängliga tillstånd belyses av ljus vid frekvensen som exakt motsvarar energiskillnaden mellan tillstånden, systemet kommer att växla mellan tillstånd med en karakteristisk frekvens. Genom att mäta dessa "Rabi -svängningar, "forskarna kunde bekräfta att de hade en sammanhängande kontroll över sitt system, och att detta varar med en sammanhangstid (T ₂ ) på 17,2 μs.

De observerade sammanhangstiderna är fortfarande kortare än för NV -centra i diamant där ett T ₂ av millisekunder har observerats. Dock, det konkurrerar med de sammanhangstider som observerats för avvikelser i SiC, med den ytterligare fördelen att arbeta vid telekommunikationsvåglängder. Dessutom, forskarna har redan i åtanke strategier som kan öka dekoherens -tiden ytterligare, inklusive lägre kvävekoncentration och dynamisk avkopplingsteknik. Arbetet utgör ett "sammanhängande" argument för ytterligare undersökningar av NV -centra i SiC för kvantberäkning.

© 2020 Science X Network