Decoerência é a ruína das tecnologias quânticas. Em sistemas coerentes, a fase das funções de onda que representam os estados quânticos das partículas no sistema têm relações definidas entre si. Isso permite que os dispositivos quânticos operem de uma maneira significativa que difere dos dispositivos clássicos. Contudo, interagir com o mundo ao nosso redor leva rapidamente à decoerência, o que torna mais difícil explorar os efeitos quânticos para aumentar a eficiência da computação ou a segurança da comunicação. A pesquisa mostrou que sistemas quânticos com tempos de coerência impressionantemente longos são possíveis no diamante, mas o diamante está longe de ser o favorito dos fabricantes. Agora, pesquisadores da Universidade de Ciência e Tecnologia de Hefei e da Universidade de Wuhan na China demonstraram que o SiC pode ostentar alguns dos méritos quânticos do diamante com a vantagem adicional do controle óptico nos comprimentos de onda usados ​​pela indústria de telecomunicações.

Os defeitos valorizados para tecnologias quânticas são centros de vacância de nitrogênio (NV), em que um átomo de carbono no diamante é substituído por um nitrogênio com um carbono ausente no local da rede cristalina vizinha. O que torna esse tipo de defeito interessante para as tecnologias quânticas é que você pode controlar seus estados de spin quântico com luz e produzir emaranhamento fóton-spin com longos tempos de coerência, mesmo à temperatura ambiente. As dificuldades surgem ao tentar posicionar a tecnologia no mundo real em oposição ao laboratório. As interações fóton-spin para centros NV no diamante precisam de luz em comprimentos de onda visíveis - os comprimentos de onda das telecomunicações são muito mais longos. Além disso, esses dispositivos finamente projetados precisam ser hackeados de um dos materiais mais duros (e mais caros) conhecidos pelo homem, um para o qual a indústria não tem protocolos de nanofabricação estabelecidos.

Acontece que existem tipos de defeitos no SiC que também podem ser úteis para tecnologias quânticas. SiC é amplamente utilizado em eletrônica de potência, portanto, já existem caminhos comercialmente viáveis ​​para a produção de dispositivos SiC. Nos últimos 10 anos, vacâncias e divacâncias (onde um ou um par de átomos na rede estão ausentes) em SiC começaram a atrair interesse quando os pesquisadores aprenderam que também podiam controlar seus estados de spin com luz em temperatura ambiente com longos tempos de coerência. A observação de centros NV em SiC realmente despertou interesse, já que estes eram opticamente ativos nos comprimentos de onda usados ​​pela indústria de telecomunicações, em oposição aos comprimentos de onda visíveis mais curtos necessários para controlar os estados de spin de vacâncias e divacâncias em SiC. "Também estávamos interessados ​​na questão de saber se os centros NV no material técnico SiC podem ser controlados de forma coerente como os do diamante, "diz Jin-Shi Xu, pesquisador da Universidade de Ciência e Tecnologia da China, Hefei, Anhui e um dos autores correspondentes no relatório desses últimos resultados.

Implantação otimizada

Simplesmente explodir uma amostra com átomos de nitrogênio pode criar centros NV em SiC, já que o impacto faz com que os átomos de nitrogênio ocupem o lugar dos átomos hospedeiros e desviem ao mesmo tempo um átomo vizinho. Você pode então ver como os defeitos criados se comportam e se eles podem ser úteis para tecnologias quânticas medindo diferentes respostas ópticas, como ressonância magnética opticamente detectável, fotoluminescência e linhas de fônon zero (onde a luz laser excita o estado do defeito sem dar ou tirar energia das vibrações da rede).

Uma complicação é que o impacto pode explodir muitos outros átomos hospedeiros, também, produzindo vagas indesejadas e divacâncias. As divacâncias podem ser particularmente estranhas, pois se assemelham a centros NV com algumas das medições ópticas. Além disso, não existem apenas muitos tipos de centros NV com diferentes orientações dentro da estrutura cristalina, mas também muitos polimorfos de SiC. "Estávamos muito interessados ​​nos centros NV em 3C-SiC com o ZPL [linha de fonon zero] estando na faixa de telecomunicações da banda C, mas depois de tentar muitas amostras diferentes, ainda não conseguimos detectar os ZPLs correspondentes, "diz Xu." Em seguida, recorremos ao 4H-SiC e obtivemos resultados empolgantes. "

Ao controlar a temperatura de recozimento, Xu e o pesquisador do USTC Chuan-Feng Li e seus colaboradores foram capazes de aumentar o sinal dos centros NV em relação às divacâncias. O ajuste de outros parâmetros, como o tempo de recozimento, também ajudou a aumentar a concentração de centros de NV por um fator de seis. "Anteriormente, as pessoas não sabiam se os centros NV poderiam ser isolados, "diz ele." Tentamos otimizar a fluência e a temperatura do implante, e finalmente descobrimos que funcionava. "

Com os parâmetros de implantação otimizados, os pesquisadores então testaram quanto controle óptico coerente eles tinham sobre o sistema de estado de spin. Quando um sistema quântico com dois estados disponíveis é iluminado pela luz na frequência exatamente igual à diferença de energia entre os estados, o sistema alternará entre os estados em uma frequência característica. Ao medir essas "oscilações Rabi, "os pesquisadores puderam confirmar que tinham um controle coerente sobre seu sistema, e que isso dura com um tempo de coerência (T ₂ ) de 17,2 μs.

Os tempos de coerência observados ainda são mais curtos do que aqueles para centros NV em diamante onde um T ₂ de milissegundos. Contudo, ele compete com os tempos de coerência observados para divacâncias em SiC, com a vantagem adicional de operar em comprimentos de onda de telecomunicações. Além disso, os pesquisadores já têm em mente estratégias que podem aumentar ainda mais o tempo de decoerência, incluindo menor concentração de nitrogênio e a tecnologia de desacoplamento dinâmico. O trabalho apresenta um argumento "coerente" para futuras investigações de centros NV em SiC para computação quântica.

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