Крошечный дефект в кристалле раскрывает большой квантовый сюрприз
Исследователи из Чикагского университета создали вычислительный метод, полностью описывающий оптический цикл спиновых дефектов, и обнаружили, что в карбиде кремния внутренняя конверсия теряет энергию гораздо сильнее, чем считалось ранее
Short Summary
Учёные из Школы молекулярной инженерии Притцкера Чикагского университета (UChicago PME) разработали вычислительный метод, позволяющий полностью моделировать оптический цикл спиновых дефектов в таких материалах, как алмаз и карбид кремния, включая особенно сложный процесс внутренней конверсии — передачу энергии электронного возбуждения колебаниям окружающих атомов. Применив метод к дивакансии в карбиде кремния, исследователи выяснили, что внутренняя конверсия влияет на время жизни возбуждённого триплетного состояния значительно сильнее, чем предполагали прежние модели. Это объяснило давнее расхождение между теоретическими предсказаниями и экспериментальными наблюдениями. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Спиновые дефекты рассматриваются как перспективные строительные блоки квантовых технологий, включая квантовые сенсоры и кубиты, поскольку их состояния можно стабильно считывать. Однако точное предсказание изменения их энергии во времени оставалось серьёзной проблемой: после возбуждения лазером дефект может вернуться в основное состояние через излучение фотона, смену спинового состояния или передачу энергии атомным колебаниям. Последний путь — внутренняя конверсия — плохо поддавался расчёту из-за сложного взаимодействия электронов с сотнями и тысячами окружающих атомов в реальных твёрдых телах. Авторы работы — Джулия Галли, Стефано Виллани и Ю Цзинь — объединили несколько разработанных их группой вычислительных техник: с помощью многочастичных волновых функций они описали возбуждённые состояния и на основе точных математических выводов определили силу связи каждого состояния с колебательными конфигурациями атомов. Метод был реализован в открытой программе WEST, оптимизированной для графических процессоров и развиваемой группой Галли в течение десяти лет при поддержке Управления фундаментальных энергетических исследований Министерства энергетики США.
Проверка на азотно-вакансионном центре в алмазе дала результаты, близкие к данным спектроскопии: внутренняя конверсия слабо влияла на триплетные состояния, но была основным механизмом потери энергии в синглетных. Именно отклонение от этой картины в карбиде кремния и стало неожиданностью. Теперь framework доступен другим исследовательским группам через WEST, что должно помочь точнее предсказывать поведение дефектов и улучшать их использование в качестве кубитов и сенсоров; метод также может пригодиться при изучении материалов для преобразования и хранения энергии. Команда работает над снижением вычислительных затрат, в том числе за счёт машинного обучения, и планирует распространить подход на спиновые дефекты в кремнии и материалы энергетических технологий.
Полный расчёт оптического цикла
Новый метод впервые позволяет моделировать весь оптический цикл спиновых дефектов, включая внутреннюю конверсию, которая ранее была практически недоступна для точного расчёта
Проверка на алмазе
Для азотно-вакансионного центра в алмазе расчёты совпали со спектроскопическими данными: внутренняя конверсия несущественна для триплетных состояний, но доминирует в синглетных
Недооценённый эффект в карбиде кремния
В дивакансии карбида кремния внутренняя конверсия оказалась гораздо важнее для времени жизни возбуждённого триплетного состояния, чем показывали прежние модели, что объяснило расхождение теории и эксперимента
Доступность и развитие метода
Framework встроен в открытую программу WEST с поддержкой GPU; исследователи работают над снижением вычислительных затрат с помощью машинного обучения и расширением метода на кремний и материалы энергетики
Text generated using AI
