Pesquisadores do Paul-Drude-Institut em Berlim, o Helmholtz-Zentrum em Dresden e o Instituto Ioffe em São Petersburgo demonstraram o uso de vibrações elásticas para manipular os estados de spin de centros de cor opticamente ativos em SiC à temperatura ambiente. Eles mostram uma dependência não trivial das transições de spin induzidas acusticamente na direção de quantização de spin, que pode levar a ressonâncias acústicas de spin quirais. Essas descobertas são importantes para aplicações em futuros dispositivos eletrônicos quânticos e foram publicadas recentemente em Cartas de revisão física .

Os centros de cor em sólidos são defeitos cristalográficos opticamente ativos contendo um ou mais elétrons aprisionados. De especial interesse para aplicações em tecnologias quânticas são os centros de cores opticamente endereçáveis, isso é, defeitos de rede cujos estados de spin eletrônicos podem ser inicializados e lidos seletivamente usando luz. Além de inicialização e leitura, também é necessário desenvolver métodos eficientes para manipular seus estados de spin, e, portanto, as informações armazenadas neles. Embora isso seja normalmente realizado pela aplicação de campos de micro-ondas, um método alternativo e mais eficiente poderia ser o uso de vibrações mecânicas. Entre os diferentes materiais para a implementação de tais tecnologias baseadas em deformações, O SiC está atraindo cada vez mais atenção como um material robusto para sistemas nanoeletromecânicos com uma sensibilidade ultra-alta a vibrações que também hospeda centros de cores opticamente ativos altamente coerentes.

Em um trabalho recente publicado em Cartas de revisão física , pesquisas do Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, o Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf e o Ioffe Institute demonstraram o uso de vibrações elásticas para manipular os estados de spin de centros de cor opticamente ativos em SiC à temperatura ambiente. Em seu estudo, os autores usam a modulação periódica da rede de cristal de SiC para induzir transições entre os níveis de spin do centro de vacância de silício, um centro de cor opticamente ativo com spin S =3/2. De especial importância para aplicações futuras é o fato de que, em contraste com a maioria dos centros de luz semelhantes a átomos, onde a observação de efeitos induzidos por deformação requer o resfriamento do sistema a temperaturas muito baixas, os efeitos relatados aqui foram observados à temperatura ambiente.

Para acoplar as vibrações da rede aos centros de vacância de silício, os autores primeiro criaram seletivamente esses centros irradiando o SiC com prótons. Em seguida, eles fabricaram um ressonador acústico para a excitação de ondas acústicas de superfície estacionárias (SAW) no SiC. SAWs são vibrações elásticas confinadas à superfície de um sólido que se assemelham a ondas sísmicas criadas durante um terremoto. Quando a frequência do SAW corresponde às frequências ressonantes dos centros de cores, os elétrons presos neles podem usar a energia do SAW para saltar entre os diferentes subníveis de spin. Devido à natureza especial do acoplamento spin-strain, o SAW pode induzir saltos entre estados de spin com diferenças de número quântico magnético Δm =± 1 e Δm =± 2, enquanto os induzidos por microondas são restritos a Δm =± 1. Isso permite realizar o controle total dos estados de spin usando vibrações de alta frequência sem o auxílio de campos de micro-ondas externos.

Além disso, devido à simetria intrínseca dos campos de deformação SAW combinados com as propriedades peculiares do sistema de spin meio-inteiro, a intensidade de tais transições de spin depende do ângulo entre as direções de propagação de SAW e de quantização de spin, que pode ser controlado por um campo magnético externo. Além disso, os autores prevêem uma ressonância spin-acústica quiral em SAWs viajantes. Isso significa que, sob certas condições experimentais, as transições de spin podem ser ligadas ou desligadas invertendo o campo magnético ou a direção de propagação SAW.

Essas descobertas estabelecem o carboneto de silício como uma plataforma híbrida altamente promissora para o controle quântico optomecânico de spin no chip, permitindo interações projetadas em temperatura ambiente.