Como defeitos em semicondutores poderiam impulsionar a tecnologia quântica
Propriedades ópticas de defeitos de GaN. um , Imagem PL de um defeito isolado (nº 2), indicado por uma seta, e seu entorno. Barra de escala, 2 μm. b , Espectro óptico do defeito no. 2. A inserção mostra uma imagem de microscópio eletrônico de varredura de uma lente de imersão sólida esculpida ao redor do defeito. Barra de escala, 4 μm. c , Autocorrelação de fótons de segunda ordem g
(2)
(τ ) do defeito nº. 2, onde τ é o atraso. A autocorrelação com atraso zero g
(2)
(0) = 0,3 < 0,5, o que é consistente com um emissor de fóton único. d , PL dependente do campo magnético medido com o campo magnético aproximadamente alinhado ao c eixo do cristal GaN mostrando dois grupos de comportamento, conforme discutido no texto. e , Diagrama de nível mínimo que é consistente com um S ≥ 1 spin no estado fundamental (g) e no estado excitado (e). A taxa de cruzamento intersistema não radiativo (ISC) γISC em um estado metaestável (M) é dependente do spin. f , Diagrama de nível mínimo que é consistente com um S ≥ 1 estado metaestável. A taxa de cruzamento intersistema não radiativo γISC,g de um estado metaestável é dependente do spin e a taxa de relaxamento radiativo γpor exemplo é independente do spin. Crédito:Materiais da Natureza (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01803-5 Em diamantes (e outros materiais semicondutores), os defeitos são os melhores amigos de um sensor quântico. Isso ocorre porque os defeitos, essencialmente um arranjo de átomos empurrões, às vezes contêm elétrons com momento angular, ou spin, que podem armazenar e processar informações. Este “grau de liberdade de rotação” pode ser aproveitado para uma série de propósitos, como detectar campos magnéticos ou criar uma rede quântica.
Pesquisadores liderados por Greg Fuchs, Ph.D. '07, professor de física aplicada e de engenharia na Cornell Engineering, procurou tal rotação no popular semicondutor nitreto de gálio e encontrou-o, surpreendentemente, em duas espécies distintas de defeito, uma das quais pode ser manipulada para futuras aplicações quânticas.
O artigo do grupo, "Ressonância magnética detectada opticamente pela temperatura ambiente de giros únicos em GaN", foi publicado na Nature Materials. . O autor principal é o estudante de doutorado Jialun Luo.
São os defeitos que dão cor às gemas e, por isso, também são conhecidos como centros de cores. Os diamantes rosa, por exemplo, obtêm sua tonalidade de defeitos chamados centros de vacância de nitrogênio. No entanto, existem muitos centros de cores que ainda não foram identificados, mesmo em materiais comumente utilizados.
"O nitreto de gálio, ao contrário do diamante, é um semicondutor maduro. Ele foi desenvolvido para eletrônicos de alta frequência com amplo intervalo de banda, e esse tem sido um esforço muito intenso ao longo de muitos e muitos anos", disse Fuchs. "Você pode comprar um wafer dele; provavelmente está no carregador do seu computador, ou no carro elétrico. Mas em termos de material para defeitos quânticos, ele não foi muito explorado."
Para buscar o grau de liberdade de spin no nitreto de gálio, Fuchs e Luo se uniram a Farhan Rana, professor de engenharia Joseph P. Ripley, e ao estudante de doutorado Yifei Geng, com quem já haviam explorado o material.
O grupo usou microscopia confocal para identificar os defeitos por meio de sondas fluorescentes e depois conduziu uma série de experimentos, como medir como a taxa de fluorescência de um defeito muda em função do campo magnético e usar um pequeno campo magnético para conduzir as transmissões ressonantes de spin do defeito, tudo em temperatura ambiente.
“No início, os dados preliminares mostraram sinais de estruturas de spin interessantes, mas não conseguimos conduzir a ressonância do spin”, disse Luo. "Acontece que precisávamos conhecer os eixos de simetria do defeito e aplicar um campo magnético na direção correta para sondar as ressonâncias; os resultados nos trouxeram mais questões esperando para serem resolvidas."
Os experimentos mostraram que o material apresentava dois tipos de defeitos com espectros de spin distintos. Em um deles, o spin foi acoplado a um estado excitado metaestável; no outro, foi acoplado ao estado fundamental.
Neste último caso, os investigadores conseguiram ver alterações de fluorescência de até 30% quando conduziram a transição de spin – uma grande mudança no contraste e relativamente rara para um spin quântico à temperatura ambiente.
"Normalmente, a fluorescência e o spin estão muito fracamente ligados, então quando você altera a projeção do spin, a fluorescência pode mudar em 0,1% ou algo muito, muito pequeno", disse Fuchs. "Do ponto de vista tecnológico, isso não é ótimo porque você deseja uma grande mudança para poder medi-la de forma rápida e eficiente."
Os pesquisadores então realizaram um experimento de controle quântico. Eles descobriram que podiam manipular o spin do estado fundamental e que ele tinha coerência quântica – uma qualidade que permite que bits quânticos, ou qubits, retenham suas informações.
“Isso é algo muito emocionante nesta observação”, disse Fuchs. "Ainda há muito trabalho fundamental a fazer e há muito mais perguntas do que respostas. Mas a descoberta básica do spin neste centro de cores, o fato de ter um forte contraste de spin de até 30%, é que existe em um material semicondutor maduro - que abre todos os tipos de possibilidades interessantes que agora estamos entusiasmados em explorar."
Mais informações: Jialun Luo et al, Temperatura ambiente detectou opticamente ressonância magnética de spins únicos em GaN, Nature Materials (2024). DOI:10.1038/s41563-024-01803-5 Fornecido pela Universidade Cornell
