Quando exposto ao estresse e tensão, os materiais podem apresentar uma ampla gama de propriedades diferentes. Usando ondas sonoras, os cientistas começaram a explorar os comportamentos fundamentais do estresse em um material cristalino que poderia formar a base para as tecnologias de informação quântica. Essas tecnologias envolvem materiais que podem codificar informações em vários estados simultaneamente, permitindo uma computação mais eficiente.

Em uma nova descoberta de pesquisadores do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA e da Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago, os cientistas usaram raios-X para observar mudanças espaciais em um cristal de carboneto de silício ao usar ondas sonoras para esticar defeitos enterrados dentro dele. O trabalho segue um estudo anterior recente no qual os pesquisadores observaram mudanças no estado de spin dos elétrons do defeito quando o material foi deformado de forma semelhante.

Como esses defeitos estão bem isolados dentro do cristal, eles podem atuar como um único estado molecular e como portadores de informações quânticas. Quando os elétrons presos perto dos defeitos mudam entre os estados de spin, eles emitem energia na forma de fótons. Dependendo do estado em que os elétrons estão, eles emitem mais ou menos fótons em uma técnica conhecida como leitura dependente de spin.

No experimento, os pesquisadores procuraram avaliar a relação entre a energia sonora usada para produzir a tensão sobre os defeitos na rede cristalina e as transições de spin indicadas pelos fótons emitidos. Enquanto os defeitos no cristal fluorescem naturalmente, a deformação adicional faz com que o spin fundamental do elétron mude de estado, resultando em uma manipulação coerente do estado de spin que pode ser medido opticamente.

"Queríamos ver o acoplamento entre a tensão do som e a resposta à luz, mas para ver exatamente qual é o acoplamento entre eles, você precisa saber a quantidade de tensão que está aplicando, e quanto mais resposta ótica você está obtendo, "disse o nanocientista de Argonne Martin Holt, o principal autor do estudo.

Os eletrodos usados ​​para gerar as ondas sonoras têm cerca de cinco mícrons de largura, muito maior do que os próprios defeitos, que consistem em dois átomos ausentes conhecidos como complexo de divacância. A onda sonora estica os defeitos, empurrando e puxando alternadamente, fazendo com que os elétrons mudem seus spins.

Para caracterizar a rede e os defeitos, Os pesquisadores de Argonne usaram a linha de luz de Nanoprobe de raios-X dura operada em conjunto no Centro de Materiais em Nanoescala e Fonte Avançada de Fótons (APS) do laboratório, ambos DOE Office of Science User Facilities. Por meio de uma técnica recentemente desenvolvida chamada microscopia de difração de Bragg estroboscópica, Holt e seus colegas conseguiram imagens da rede em torno dos defeitos em muitos pontos diferentes ao longo do ciclo de deformação.

"Estamos interessados ​​em como manipular o estado de rotação original com ondas acústicas, e como você pode mapear espacialmente a mecânica da cepa com raios-X, "disse o cientista de materiais de Argonne e cientista da equipe de PME Joseph Heremans, outro autor do estudo.

"Os raios X medem exatamente a distorção da rede, "Holt acrescentou.

A difração de Bragg estroboscópica envolve a sincronização da frequência da onda acústica com a frequência dos pulsos de elétrons no anel de armazenamento do APS. Desta maneira, os pesquisadores foram essencialmente capazes de "congelar a onda no tempo, "de acordo com Holt. Isso permitiu que eles criassem uma série de imagens da deformação experimentada pela rede em cada ponto da onda.

"É como se você tivesse ondulações em um lago, e você pode acender uma luz em um ponto da lagoa, "Holt disse." Você veria um movimento de pico a vale, e da calha ao pico. "

"Estamos captando imagens diretamente da pegada do som passando por este cristal, "Heremans acrescentou." As ondas sonoras fazem com que a rede se curve, e podemos medir exatamente o quanto as curvas da rede passam por um ponto específico da rede em um ponto específico no tempo. "

O uso da difração estroboscópica de Bragg permite aos cientistas determinar a correlação direta entre a deformação dinâmica e o comportamento quântico do defeito, Holt disse. Em carboneto de silício, esta relação é bastante bem compreendida, mas em outros materiais a técnica pode revelar relações surpreendentes entre deformação e outras propriedades.

"Essa técnica abre um caminho para descobrirmos os comportamentos em muitos sistemas nos quais não temos uma boa previsão analítica de como a relação deveria ser, "Holt disse.

"Este estudo combina a experiência de uma instituição acadêmica líder com a instrumentação de ponta de um laboratório nacional para desenvolver uma nova técnica para sondar a matéria em escala atômica, revelando a capacidade das ondas sonoras de controlar as tecnologias quânticas de semicondutores, "acrescentou o cientista sênior de Argonne e professor de Engenharia Molecular da Família Liew, David Awschalom, colaborador da pesquisa.

Um artigo baseado no estudo, "Correlacionando tensão dinâmica e fotoluminescência de defeitos de estado sólido com microscopia de difração de raios-X estroboscópica, "apareceu na edição online de 29 de julho de Nature Communications .