科学家观察到声学相互作用如何在原子级改变材料

当承受应力和应变时，材料会表现出各种不同的特性。通过使用声波，科学家已经开始探索晶体材料中的基本应力行为，该行为可能构成量子信息技术的基础。这些技术涉及可以同时在多种状态下编码信息的材料，从而可以进行更有效的计算。

在美国能源部阿贡国家实验室和芝加哥大学普利兹克分子工程学院(PME)的研究人员的一项新发现中，科学家们使用X射线观察了声波发射时碳化硅晶体的空间变化。应变掩盖其中的缺陷。这项工作是根据最近的一项较早的研究进行的，在该研究中，研究人员观察到当材料同样受到应变时，缺陷电子的自旋态会发生变化。

由于这些缺陷在晶体中被很好地隔离，因此它们可以充当单个分子态并充当量子信息的载体。当陷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，它们以一种称为自旋相关读数的技术发射更多或更少的光子。

在实验中，研究人员试图评估用于在晶格缺陷上产生应变的声能与发射光子指示的自旋跃迁之间的关系。当晶体中的缺陷自然发荧光时，附加应变会导致电子的自旋改变状态，从而导致对自旋状态的相干操纵，可以通过光学方法对其进行测量。

“我们希望看到声音应变和光响应之间的耦合，但是要确切了解它们之间的耦合，您需要既知道要施加多少应变，又要获得更多的光学响应。研究的主要作者Argonne纳米科学家Martin Holt说。

用于产生声波的电极的宽度大约为5微米，远大于缺陷本身，缺陷本身由两个称为原子空位络合物的缺失原子组成。声波通过交替推动和拉动缺陷而使缺陷应变，从而使电子改变自旋。

为了表征晶格和缺陷，Argonne研究人员使用了由美国能源部科学用户设施办公室的纳米级材料中心和先进光子源(APS)共同操作的硬X射线纳米探针束线。通过一种称为频闪布拉格光栅显微镜的新技术，Holt和他的同事们能够在整个应变周期的许多不同点对缺陷周围的晶格成像。

Argonne材料科学家和PME研究人员约瑟夫·赫里曼斯(Joseph Heremans)说：“我们对如何利用声波操纵原始自旋状态以及如何在空间上用X射线绘制应变的力学感兴趣。”研究。

Holt补充说：“ X射线精确地测量了晶格畸变。”

频闪布拉格衍射包括将声波的频率与APS储存环中电子脉冲的频率同步。霍尔特说，通过这种方式，研究人员基本上能够“及时冻结”波浪。这样一来，他们就可以创建一系列图像，显示出在波的每个点处晶格所经历的应变。

霍尔特说：“这就好比在池塘中荡漾着涟漪，并且可以照亮池塘的某个地方。” “您会看到峰到谷的运动，以及谷到峰的运动。”

Heremans补充说：“我们正在直接成像通过该晶体的声音足迹。” “声波使晶格弯曲，我们可以在特定的时间点通过晶格的特定点来准确测量出多少晶格弯曲。”

霍尔特说，通过频闪布拉格布拉格衍射，科学家可以确定动态应变与缺陷的量子行为之间的直接关系。在碳化硅中，这种关系是很容易理解的，但是在其他材料中，该技术可以揭示出应变与其他特性之间令人惊讶的关系。

霍尔特说：“这项技术为我们提供了一种方法，可以弄清很多系统中的行为，而对于这些行为我们没有很好的分析性预测。”

“这项研究结合了领先学术机构的专业知识和国家实验室的先进仪器，开发了一种用于在原子尺度上探测物质的新技术，从而揭示了声波控制半导体量子技术的能力。” Argonne高级科学家兼PME Liew分子工程家族教授David Awschalom，该研究的合作者。