Los defectos en los semiconductores podrían impulsar la tecnología cuántica

Los defectos en los semiconductores podrían impulsar la tecnología cuántica

En los diamantes (y otros materiales semiconductores), los defectos son el mejor amigo del sensor cuántico.

De hecho, los defectos, esencialmente una disposición de átomos empujados, a veces contienen electrones con momento angular o espín, que pueden almacenar y procesar información. Este “grado de libertad de giro” se puede aprovechar para diversos fines, como detectar campos magnéticos o crear una red cuántica.

Investigadores dirigidos por Greg Fuchs, Ph.D. ’07, profesor de física aplicada e ingeniería en Cornell Engineering, buscaron ese giro en el popular semiconductor nitruro de galio y lo encontraron, sorprendentemente, en dos especies distintas de defectos, uno de que puede manipularse para futuras aplicaciones cuánticas.

El artículo del grupo, “Resonancia magnética detectada ópticamente a temperatura ambiente de espines individuales en GaN”, publicado el 12 de febrero en Nature Materials. El autor principal es el estudiante de doctorado Jialun Luo.

Los defectos son los que dan color a las piedras preciosas, por eso también se les llama centros de color. Los diamantes rosas, por ejemplo, obtienen su tono de defectos llamados centros de vacantes de nitrógeno. Sin embargo, aún quedan por identificar muchos centros de color, incluso en materiales de uso común.

“El nitruro de galio, a diferencia del diamante, es un semiconductor maduro. Fue desarrollado para electrónica de alta frecuencia de banda ancha y eso requirió un esfuerzo muy intenso durante muchos, muchos años”, dijo Fuchs. “Puedes ir a comprar un paquete, probablemente esté en el cargador de tu computadora o en tu auto eléctrico. Pero en términos de material para defectos cuánticos, esto no se ha explorado mucho.

Para investigar el grado de libertad de espín en el nitruro de galio, Fuchs y Luo se asociaron con Farhan Rana, profesor de ingeniería Joseph P. Ripley, y el estudiante de doctorado Yifei Geng, con quien habían explorado previamente el material.

El grupo utilizó microscopía confocal para identificar defectos mediante sondas fluorescentes y luego realizó una multitud de experimentos, como medir cómo cambia la tasa de fluorescencia de un defecto en función del campo magnético y usar un pequeño campo magnético para impulsar las transmisiones de espín resonante del defecto. . todo a temperatura ambiente.

“Al principio, los datos preliminares mostraron signos de estructuras de espín interesantes, pero no pudimos impulsar la resonancia del espín”, dijo Luo. “Resulta que necesitábamos conocer los ejes de simetría de los defectos y aplicar un campo magnético en la dirección correcta para sondear las resonancias; Los resultados nos trajeron más preguntas, esperando ser respondidas.

Los experimentos mostraron que el material presentaba dos tipos de defectos con espectros de espín distintos. En uno de ellos, el espín estaba acoplado a un estado excitado metaestable; en el otro, estaba acoplado al estado fundamental.

En el último caso, los investigadores pudieron observar cambios de fluorescencia de hasta el 30% al impulsar la transición de espín, un cambio de contraste grande y relativamente raro para el espín cuántico a temperatura ambiente.

“Por lo general, la fluorescencia y el espín están muy débilmente relacionados, por lo que cuando se cambia la proyección del espín, la fluorescencia puede cambiar en un 0,1%, o algo muy, muy pequeño”, dijo Fuchs. “Desde el punto de vista tecnológico, no es genial, porque quieres un gran cambio, para poder medirlo de forma rápida y eficiente”.

Luego, los investigadores llevaron a cabo un experimento de control cuántico. Descubrieron que podían manipular el giro del estado fundamental y que tenía coherencia cuántica, una cualidad que permite a los bits cuánticos, o qubits, retener su información.

“Hay algo bastante interesante en esta observación”, dijo Fuchs. “Aún queda mucho trabajo fundamental por hacer y hay muchas más preguntas que respuestas. Pero el descubrimiento fundamental del espín en este centro de color, el hecho de que tenga un fuerte contraste de espín de hasta el 30%, que exista en un material semiconductor maduro, abre todo tipo de posibilidades interesantes que ahora estamos ansiosos por explorar. . »

La investigación fue apoyada por el Centro de Investigación de Materiales de Cornell (CCMR), con financiación del programa del Centro de Ingeniería y Ciencia de Investigación de Materiales de la Fundación Nacional de Ciencias; el programa Cornell Engineering Sprout; y el programa Desafíos de detección cuántica para avances transformacionales en sistemas cuánticos de la NSF.

Los investigadores utilizaron la instalación Cornell NanoScale, también apoyada por la NSF.

Leave a Comment

Your email address will not be published. Required fields are marked *