Quando esposto a stress e sforzi, i materiali possono mostrare una vasta gamma di proprietà diverse. Utilizzando le onde sonore, gli scienziati hanno iniziato a esplorare i comportamenti fondamentali dello stress in un materiale cristallino che potrebbe costituire la base per le tecnologie dell'informazione quantistica. Queste tecnologie coinvolgono materiali in grado di codificare le informazioni in un numero di stati contemporaneamente, consentendo un calcolo più efficiente.

In una nuova scoperta dei ricercatori dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e della Pritzker School of Molecular Engineering (PME) dell'Università di Chicago, gli scienziati hanno usato i raggi X per osservare i cambiamenti spaziali in un cristallo di carburo di silicio quando usano le onde sonore per deformare i difetti sepolti al suo interno. Il lavoro fa seguito a un precedente studio recente in cui i ricercatori hanno osservato cambiamenti nello stato di spin degli elettroni del difetto quando il materiale è stato sottoposto a sollecitazioni simili.

Poiché questi difetti sono ben isolati all'interno del cristallo, possono agire come un singolo stato molecolare e come portatori di informazioni quantistiche. Quando gli elettroni intrappolati vicino ai difetti cambiano tra gli stati di spin, emettono energia sotto forma di fotoni. A seconda dello stato in cui si trovano gli elettroni, emettono più o meno fotoni in una tecnica nota come lettura dipendente dallo spin.

Nell'esperimento, i ricercatori hanno cercato di valutare la relazione tra l'energia sonora utilizzata per produrre la deformazione sui difetti del reticolo cristallino e le transizioni di spin indicate dai fotoni emessi. Mentre i difetti nel cristallo sono naturalmente fluorescenti, la deformazione aggiuntiva fa sì che lo spin fondamentale dell'elettrone cambi stato, con conseguente manipolazione coerente dello stato di spin che può essere misurata otticamente.

"Volevamo vedere l'accoppiamento tra la tensione sonora e la risposta alla luce, ma per vedere esattamente qual è l'accoppiamento tra loro, devi sapere quanto sforzo stai applicando, e quanta più risposta ottica stai ottenendo, " ha detto il nanoscienziato di Argonne Martin Holt, l'autore principale dello studio.

Gli elettrodi utilizzati per generare le onde sonore hanno una larghezza di circa cinque micron, molto più grande dei difetti stessi, che consistono in due atomi mancanti noti come complesso di divario. L'onda sonora tende i difetti spingendoli e tirandoli alternativamente, facendo sì che gli elettroni cambino i loro spin.

Per caratterizzare il reticolo e i difetti, I ricercatori di Argonne hanno utilizzato la linea di luce Hard X-ray Nanoprobe operata congiuntamente presso il Center for Nanoscale Materials and Advanced Photon Source (APS) del laboratorio. entrambe le strutture per gli utenti dell'Ufficio delle scienze del DOE. Attraverso una tecnica di nuova concezione chiamata microscopia stroboscopica di diffrazione di Bragg, Holt ei suoi colleghi sono stati in grado di visualizzare il reticolo attorno ai difetti in molti punti diversi durante il ciclo di deformazione.

"Siamo interessati a come manipolare lo stato di rotazione originale con onde acustiche, e come è possibile mappare spazialmente la meccanica del ceppo con i raggi X, " ha affermato Joseph Heremans, scienziato dei materiali di Argonne e scienziato dello staff del PME, un altro autore dello studio.

"I raggi X misurano esattamente la distorsione del reticolo, " ha aggiunto Holt.

La diffrazione stroboscopica di Bragg implica la sincronizzazione della frequenza dell'onda acustica con la frequenza degli impulsi di elettroni nell'anello di immagazzinamento dell'APS. In questo modo, i ricercatori sono stati essenzialmente in grado di "congelare l'onda in tempo, " secondo Holt. Ciò ha permesso loro di creare una serie di immagini della tensione subita dal reticolo in ogni punto dell'onda.

"È come se avessi le increspature in uno stagno, e potresti far brillare una luce su un punto dello stagno, " ha detto Holt. "Vedresti un movimento dal picco al trogolo, e dalla depressione al picco."

"Stiamo direttamente immaginando l'impronta del suono che attraversa questo cristallo, " aggiunse Heremans. "Le onde sonore fanno curvare il reticolo, e possiamo misurare esattamente quanto si curva il reticolo passando attraverso un punto specifico del reticolo in un momento specifico."

L'uso della diffrazione stroboscopica di Bragg consente agli scienziati di determinare la correlazione diretta tra la deformazione dinamica e il comportamento quantistico del difetto, disse Holt. Nel carburo di silicio, questa relazione è abbastanza ben compresa, ma in altri materiali la tecnica potrebbe rivelare relazioni sorprendenti tra deformazione e altre proprietà.

"Questa tecnica ci apre la strada per capire i comportamenti in molti sistemi in cui non abbiamo una buona previsione analitica di come dovrebbe essere la relazione, " disse Holt.

"Questo studio combina l'esperienza di un'importante istituzione accademica con la strumentazione all'avanguardia di un laboratorio nazionale per sviluppare una nuova tecnica per sondare la materia su scala atomica, rivelando la capacità delle onde sonore di controllare le tecnologie quantistiche dei semiconduttori, " ha aggiunto lo scienziato senior di Argonne e professore di ingegneria molecolare della famiglia PME Liew, David Awschalom, collaboratore della ricerca.

Un documento basato sullo studio, "Correlazione della deformazione dinamica e della fotoluminescenza dei difetti allo stato solido con la microscopia a diffrazione di raggi X stroboscopica, " apparso nell'edizione online del 29 luglio di Comunicazioni sulla natura .