当受到应力和应变时，材料可以表现出多种不同的性能。通过使用声波，科学家们已经开始探索一种晶体材料的基本应力行为，这可能会成为量子信息技术的基础——这种技术可能会在我们生活的多个领域产生突破性的应用。
科学家们说，这样的声波系统有可能在量子信息传输中扮演变革性的角色，但材料内部究竟发生了什么还不是很清楚，因为很难测量。
芝加哥大学普利兹克分子工程学院(Pritzker School of Molecular Engineering)和阿贡国家实验室(Argonne National Laboratory)的研究人员有了一项新发现，科学家们利用x射线观察了碳化硅晶体的空间变化，同时利用声波对晶体内部埋在地下的缺陷进行应变。
“这项技术为我们提供了一种方法，让我们了解很多系统中的行为，而在这些系统中，我们对它们之间的关系没有一个很好的分析预测，”该研究的第一作者阿贡纳米科学家马丁·霍尔特(Argonne nanoscientist Martin Holt)说。
“这项研究结合了专业知识从一个领先的学术机构和先进的国家实验室的仪器开发一种新型的探测技术在原子尺度,揭示声波的能力来控制半导体量子技术,“添加研究的合著者大卫•Awschalom刘家族分子工程学教授UChicago和阿贡国家实验室的科学家。
旋转的信息
这项工作是在之前的一项研究中进行的，在这项研究中，研究人员观察到当材料受到类似的张力时，缺陷电子的自旋状态发生了变化。由于这些缺陷在晶体中被很好地隔离，它们可以作为信息的“载体”。当被困在缺陷附近的电子在自旋状态之间改变时，它们以光子的形式发射能量。根据电子所处的状态，它们会发出更多或更少的光子，这种技术被称为自旋相关读出。
在实验中，研究人员试图评估用于产生晶格缺陷应变的声能与发射光子所指示的自旋跃迁之间的关系。当晶体中的缺陷自然发出荧光时，附加的应变导致电子的基极自旋改变状态，从而导致自旋状态的相干操作，而不是光学测量。
霍尔特说:“我们希望看到声应变和光响应之间的耦合，但是要想确切地看到它们之间的耦合，你需要知道你施加了多大的应变，以及你得到了多大的光响应。”
用来产生声波的电极大约有5微米宽——比缺陷本身要大得多，缺陷由两个缺失的原子组成，即所谓的“神性复合体”。声波通过交替的推拉使缺陷变形，使电子改变自旋。
近距离观察
为了表征晶格和缺陷，研究人员使用了位于阿贡的一种独特的设备:硬x射线纳米探针束线，它在实验室的纳米材料和先进光子源中心联合运作。霍尔特和他的同事们通过一种被称为频闪布拉格衍射显微镜的新技术，能够在应变周期的许多不同点上成像缺陷周围的晶格。
“我们感兴趣的是如何利用声波操纵原始的自旋状态，以及如何用x射线在空间上描绘出应变的力学，”PME和Argonne材料科学家Joseph Heremans说，他也是这项研究的另一位作者。
“x射线精确地测量了晶格畸变，”霍尔特补充道。
频闪布喇格衍射涉及到将声波的频率与先进光子源存储环中电子脉冲的频率同步。霍尔特说，通过这种方法，研究人员基本上能够“及时冻结声波”。这使得他们可以创建一系列的图像，在波的每一点晶格所经历的应变。
霍尔特说:“这就好比池塘里泛起了涟漪，你可以用一盏灯照亮池塘的一个地方。”“你会看到波峰到波谷，波谷到波峰的移动。”
“我们直接想象声音的足迹穿过这块水晶，”Heremans补充道。“声波导致晶格曲线，我们可以通过在特定时间通过晶格的特定点来精确测量晶格曲线。”
其他合作者包括芝加哥大学的研究生Samuel Whiteley和UChicago以及Argonne Gary Wolfowicz。
引用:“用频闪x射线衍射显微镜研究固态缺陷的动态应变和光致发光。怀特利等人，《自然通讯》，2019年7月29日。https://www.nature.com/articles/s41467-019-11365-9
资助:美国能源部、空军科学研究办公室。
这个故事最早出现在阿贡国家实验室的网站上。