La decoerenza è la rovina delle tecnologie quantistiche. Nei sistemi coerenti, la fase delle funzioni d'onda che rappresentano gli stati quantistici delle particelle nel sistema hanno relazioni definite tra loro. Ciò consente ai dispositivi quantistici di funzionare in un modo significativo che differisce dai dispositivi classici. Però, interagire con il mondo che ci circonda porta rapidamente alla decoerenza, il che rende più difficile sfruttare gli effetti quantistici per migliorare l'efficienza del calcolo o la sicurezza delle comunicazioni. La ricerca ha dimostrato che nel diamante sono possibili sistemi quantistici con tempi di coerenza straordinariamente lunghi, ma il diamante è tutt'altro che il preferito dai produttori. Ora, ricercatori dell'Università della Scienza e della Tecnologia di Hefei e dell'Università di Wuhan in Cina hanno dimostrato che il SiC può vantare alcuni dei meriti quantistici del diamante con l'ulteriore vantaggio del controllo ottico alle lunghezze d'onda utilizzate dall'industria delle telecomunicazioni.

I difetti apprezzati per le tecnologie quantistiche sono i centri di vacanza di azoto (NV), in cui un atomo di carbonio nel diamante è sostituito da un azoto con un carbonio mancante nel vicino sito del reticolo cristallino. Ciò che rende questo tipo di difetto interessante per le tecnologie quantistiche è che è possibile controllare i suoi stati di spin quantistico con la luce e produrre entanglement fotoni-spin con lunghi tempi di coerenza, anche a temperatura ambiente. Le difficoltà sorgono quando si cerca di posizionare la tecnologia nel mondo reale rispetto al laboratorio. Le interazioni fotone-spin per i centri NV nel diamante richiedono luce a lunghezze d'onda visibili:le lunghezze d'onda delle telecomunicazioni sono molto più lunghe. Inoltre, questi dispositivi finemente progettati devono essere ricavati da uno dei materiali più duri (e costosi) conosciuti dall'uomo, uno per il quale l'industria non ha stabilito protocolli di nanofabbricazione.

Si scopre che ci sono tipi di difetti nel SiC che potrebbero essere utili anche per le tecnologie quantistiche. SiC è ampiamente utilizzato nell'elettronica di potenza, esistono già strade commercialmente valide per la produzione di dispositivi SiC. Negli ultimi 10 anni, vacanze e divarie (dove uno o una coppia di atomi nel reticolo sono assenti) nel SiC hanno iniziato ad attirare l'interesse quando i ricercatori hanno appreso che potevano anche controllare i loro stati di spin con la luce a temperatura ambiente con lunghi tempi di coerenza. L'osservazione dei centri NV in SiC ha suscitato molto interesse, poiché questi erano otticamente attivi alle lunghezze d'onda utilizzate dall'industria delle telecomunicazioni rispetto alle lunghezze d'onda visibili più corte necessarie per controllare gli stati di spin delle vacanze e delle vacanze in SiC. "Ci interessava anche sapere se i centri NV nel materiale tecnico SiC possono essere controllati coerentemente come quelli in diamante, " dice Jin-Shi Xu, ricercatore presso l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina, Hefei, Anhui e uno degli autori corrispondenti sul rapporto di questi ultimi risultati.

Impianto ottimizzato

La semplice esplosione di un campione con atomi di azoto può creare centri NV in SiC, poiché l'impatto fa sì che gli atomi di azoto prendano il posto degli atomi ospiti e contemporaneamente spingano fuori un atomo vicino. Puoi quindi vedere come si comportano i difetti creati e se possono essere utili per le tecnologie quantistiche misurando diverse risposte ottiche, come la risonanza magnetica rilevabile otticamente, fotoluminescenza e linee a zero fononi (dove la luce laser eccita lo stato del difetto senza dare o prendere energia dalle vibrazioni del reticolo).

Una complicazione è che l'impatto può far saltare via molti altri atomi dell'ospite, pure, producendo posti vacanti e posti vacanti. Le vacanze possono rivelarsi particolarmente imbarazzanti in quanto assomigliano ai centri NV con alcune delle misurazioni ottiche. Inoltre, non ci sono solo molti tipi di centri NV con diversi orientamenti all'interno del reticolo cristallino, ma anche molti polimorfi di SiC. "Eravamo molto interessati ai centri NV in 3C-SiC con ZPL [linea a zero fononi] nella gamma delle telecomunicazioni in banda c, ma dopo aver provato molti campioni diversi, non siamo ancora riusciti a rilevare gli ZPL corrispondenti, " dice Xu. "Ci siamo poi rivolti al 4H-SiC e abbiamo ottenuto risultati entusiasmanti".

Controllando la temperatura di ricottura, Xu e il collega ricercatore dell'USTC Chuan-Feng Li e i loro collaboratori sono stati in grado di aumentare il segnale dai centri NV rispetto ai disagi. Anche la regolazione di altri parametri come il tempo di ricottura ha aiutato in modo che fossero in grado di aumentare la concentrazione dei centri NV di un fattore sei. "In precedenza, le persone non sapevano se i centri NV potessero essere isolati, " dice. "Abbiamo cercato di ottimizzare la fluenza e la temperatura dell'impianto, e alla fine abbiamo scoperto che funzionava".

Con i parametri di impianto ottimizzati, i ricercatori hanno quindi testato quanto controllo ottico coerente avevano sul sistema dello spin-state. Quando un sistema quantistico con due stati disponibili è illuminato dalla luce alla frequenza esattamente uguale alla differenza di energia tra gli stati, il sistema passerà da uno stato all'altro a una frequenza caratteristica. Misurando queste "oscillazioni di Rabi, "i ricercatori hanno potuto confermare di avere un controllo coerente sul loro sistema, e che questo duri con un tempo di coerenza (T ₂ ) di 17,2 μs.

I tempi di coerenza osservati sono ancora più brevi di quelli per i centri NV in diamante dove un T ₂ di millisecondi è stato osservato. Però, compete con i tempi di coerenza osservati per le vacanze in SiC, con l'ulteriore vantaggio di operare alle lunghezze d'onda delle telecomunicazioni. Inoltre, i ricercatori hanno già in mente strategie che potrebbero aumentare ulteriormente il tempo di decoerenza, compresa una minore concentrazione di azoto e la tecnologia di disaccoppiamento dinamico. Il lavoro pone un argomento "coerente" per ulteriori indagini sui centri NV in SiC per il calcolo quantistico.

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