Управление деформацией материалов улучшает считывание спина в квантовых технологиях

Исследователи продемонстрировали, что управление деформацией материалов (растяжение или сжатие) позволяет контролировать поведение квантовых дефектов и значительно улучшает контрастность считывания спина в квантовых системах.

(a) Схематическая диаграмма изменения hh-дивакансии из-за поперечной деформации ε_t (xx−yy). Ось c перпендикулярна плоскости бумаги и направлена наружу. Все желтые (фиолетовые) заполненные сферы представляют атомы Si (C). Пунктирный (сплошной) контур указывает на отсутствие (наличие) деформации. Черные и красные числа с единицей измерения Ангстрем показывают расстояние между двумя соседними атомами Si дивакансии до и после применения 1% растягивающей поперечной деформации. (b) Рассчитанные параметры D при продольных деформациях. (c) Рассчитанные параметры E (оранжевый) и угол отклонения от оси c (синий) при поперечных деформациях. (d) Рассчитанные значения ZPL (оранжевый) и относительные значения |µ|² (синий) как при продольных, так и при поперечных деформациях. Автор: Хайбо Ху и др.

Квантовые дефекты — это крошечные несовершенства в кристаллических решетках твердых тел, которые могут захватывать отдельные электроны и их «спин» (внутренний угловой момент частиц). Эти дефекты играют ключевую роль в работе различных квантовых технологий, включая сенсоры, компьютеры и системы связи.

Международная группа исследователей показала, что инженерное управление деформацией можно использовать для контроля поведения квантовых дефектов и улучшения контрастности считывания спина. Их работа опубликована в Physical Review Letters.

Схема дивакансии в карбиде кремния под механической деформацией. Искаженная решетка (сплошная) по сравнению с недеформированным случаем (пунктирная) изменяет спиновые энергетические уровни, обеспечивая лучший контраст оптического считывания при комнатной температуре. Автор: Ху и др. (Physical Review Letters, 2025).

Теоретическая часть исследования, выполненная под руководством профессора Адама Гали, привела к созданию новой теоретической рамки, описывающей взаимосвязь между контрастностью считывания спина и электронной структурой дефектов с высоким спином. Экспериментальная группа под руководством профессора Цинхая Суна подтвердила предсказания, используя существующую деформацию в мембранах из карбида кремния и измерив спиновые свойства отдельных дефектов.

«Наш самый значительный вывод заключается в том, что управление деформацией — это мощный и практичный способ повысить контрастность считывания спина квантовых дефектов, достигнув значения свыше 60% при комнатной температуре», — сказал Сун.

Эта работа демонстрирует, что тщательное инженерное управление деформацией, прикладываемой к квантовым системам, может значительно улучшить способность различать различные спиновые состояния в них. Исследователи также показали, что такой подход может значительно повысить чувствительность квантовых сенсоров.

В будущем команда планирует разработать более точные методы контроля деформации и исследовать применение этого подхода к другим системам с квантовыми дефектами, а также интегрировать деформированные материалы в продвинутые квантовые схемы.

ИИ: Это исследование открывает новые горизонты для создания высокочувствительных квантовых сенсоров, способных работать в обычных условиях, что может ускорить внедрение квантовых технологий в реальные устройства.