Μια ομάδα ερευνητών υπό την καθοδήγηση του δρ. Γκρεγκ Φουκς, επιστήμονα τεχνολογίας και μηχανικής στο Πανεπιστήμιο Cornell, έχει εξερευνήσει τις ιδιότητες περιστροπής των ελλείψεων στο δημοφιλές ημιαγωγό νιτριούχο καλλίο (GaN) και έχει εντοπίσει δύο διαφορετικούς τύπους ελλειπτικών ελλείψεων, έναν από τους οποίους μπορεί να χειριστεί για μελλοντικές κβαντικές εφαρμογές.
Τα αποτελέσματα της έρευνας της ομάδας δημοσιεύθηκαν στο περιοδικό Nature Materials με τίτλο “Room Temperature Optically Detected Magnetic Resonance of Single Spins in GaN,” με τον διδακτορικό φοιτητή Τζιαλούν Λουό ως πρώτο συντάκτη.
Ελλείψεις σε υλικά όπως τα διαμάντια και άλλοι ημιαγωγοί παίζουν σημαντικό ρόλο στους κβαντικούς αισθητήρες. Γιατί; Επειδή οι ελλείψεις, ουσιαστικά διαταραχές της ατομικής διάταξης, περιέχουν μερικές φορές ηλεκτρόνια με γωνιακή ροπή, ή περιστροπή, που μπορεί να αποθηκεύσει και να επεξεργαστεί πληροφορίες. Αυτο βοηθα στην διαρκή ανάπτυξη των κβαντικών δικτύων. (1)
Οι ελλείψεις υπεύθυνες για το χρώμα των πολύτιμων λίθων είναι επίσης γνωστές ως κεντρικά κέντρα. Για παράδειγμα, τα ροζ διαμάντια παίρνουν τη χροιά τους από ελλείψεις που είναι γνωστές ως κεντρικά κέντρα αζώτου (νιτρογόνου). Ωστόσο, πολλά κεντρικά κέντρα, ακόμα και σε υλικά που χρησιμοποιούνται καθημερινά, δεν έχουν ταυτοποιηθεί ακόμη.
“Το νιτριούχο καλλίο, αντίθετα από τα διαμάντια, είναι ένας ώριμος ημιαγωγός. Έχει αναπτυχθεί ως ημιαγωγός υψηλής συχνότητας για την ηλεκτρονική και έχει γίνει μια πολύ έντονη προσπάθεια επί πολλά χρόνια”, δήλωσε ο Fuchs. “Μπορείτε να το αγοράσετε ως μια πλάκα. Ίσως να χρησιμοποιείται σε έναν φορτιστή για τον υπολογιστή σας ή σε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο. Αλλά όταν πρόκειται για ένα υλικό με κβαντικές ελλείψεις, δεν έχει μελετηθεί πολύ εντατικά.”
Για να αναζητήσουν τον βαθμό ελευθερίας περιστροπής στο νιτριούχο καλλίο, ο Fuchs και ο Luo συνεργάστηκαν με τον καθηγητή Farhan Rana και τον διδακτορικό φοιτητή Yifei Geng, με τους οποίους έχουν ήδη μελετήσει αυτό το υλικό.
Η ομάδα χρησιμοποίησε επιμέλεια αναφέρεσθαι ποσοτικοποιημένες, βοηθητικές αυξητικesterscopy για να εντοπίσει ελλείψεις και πραγματοποίησε μια σειρά πειραμάτων, όπως η μέτρηση της αλλαγής του ρυθμού ελλείψεων φθορισμού ως συνάρτηση του μαγνητικού πεδίου και η χρήση ενός μικρού μαγνητικού πεδίου για να οδηγήσει την δονητική συντονισμού της περιστροπής της ελλείψεις, όλα σε θερμοκρασία δωματίου.
“Αρχικά, τα προκαταρκτικά δεδομένα έδειξαν ενδιαφέρουσες δομές περιστροπής, αλλά δεν μπορούσαμε να ωθήσουμε την περιστροπή της περιστροπής”, δήλωσε ο Luo. “Αποδείχθηκε ότι χρειαζόμαστε να κατανοήσουμε τους άξονες συμμετρίας των ελλείψεων και να εφαρμόσουμε το μαγνητικό πεδίο στην κατάλληλη κατεύθυνση για να εξερευνήσουμε τις δονήσεις. Τα αποτελέσματα μας έδωσαν περισσότερες ερωτήσεις που έπρεπε να λυθούν.”
Τα πειράματα αποκάλυψαν ότι το υλικό είχε δύο είδη ελλείψεων με διαφορετικά φάσματα περιστροπής. Σε ένα περίπτωση, η περιστροπή συσχετιζόταν με μια μετασταθερή ενθουσιωδή κατάσταση, και στην άλλη με την βασική κατάσταση.
Στην τελευταία περίπτωση, οι ερευνητές μπορούσαν να παρατηρήσουν αλλαγές φθορισμού έως και 30% κατά την διάρκεια της δονητικής συντονισμού της περιστροπής – μια ασυνήθιστα μεγάλη μεταβολή για κβαντικές περιστροπές σε θερμοκρασία δωματίου.
“Συνήθως, ο φθορισμός και η περιστροπή συνδέονται πολύ αδύναμα, οπότε όταν αλλάζουμε τον προβολικό περιστροπής, ο φθορισμός μπορεί να αλλάξει κατά 0,1% ή κάτι πολύ, πολύ μικρό”, δήλωσε ο Fuchs. “Από άποψη τεχνολογίας, αυτό δεν είναι καλό γιατί θέλουμε μεγάλες αλλαγές που μπορούν να μετρηθούν γρήγορα και αποτελεσματικά.”
Στη συνέχεια, οι ερευνητές πραγματοποίησαν πειράματα για τον έλεγχο της ποιότητας των κβαντικών. Ανακάλυψαν ότι μπορούν να χειριστούν την περιστροπή της βασικής κατάστασης και ότι η περιστροπή έχει κβαντική συνοχή – την ιδιότητα που επιτρέπει στα κβαντικά bits, ή qubits, να διατηρούν την πληροφορία τους.
“Αυτό είναι κάτι που μπορεί να έχει σημαντική επίδραση στην ανάπτυξη της κβαντικής επικοινωνίας και του κβαντικού υπολογισμού”, πρόσθεσε ο Fuchs.
**Συχνές Ερωτήσεις (FAQ)**
**1. Τι είναι οι ελλείψεις σε διαμάντια και άλλους ημιαγωγούς;**
Οι ελλείψεις είναι διαταραχές της ατομικής διάταξης σε υλικά που μπορεί να περιέχουν ηλεκτρόνια με γωνιακή ροπή, γνωστή ως περιστροπή, η οποία αποθηκεύει και επεξεργάζεται πληροφορίες.
**2. Ποιες είναι οι εφαρμογές των ελλείψεων σε κβαντικούς αισθητήρες;**
Οι ελλείψεις που αξιοποιούν την περιστροπή μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανίχνευση μαγνητικών πεδίων και τη δημιουργία κβαντικών δικτύων.
**3. Ποιος ημιαγωγός μελετήθηκε στην έρευνα;**
Η ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο Cornell διεξήγαγε τη μελέτη στο νιτριούχο καλλίο (GaN), ένα δημοφιλές ημιαγωγό.
**4. Τι είναι τα κεντρικά κέντρα (color centers) και γιατί είναι σημαντικά;**
Τα κεντρικά κέντρα είναι ελλείψεις που είναι υπεύθυνες για το χρώμα των πολύτιμων λίθων. Είναι σημαντικά για τη μελέτη των κβαντικών ελλείψεων επειδή πολλά κεντρικά κέντρα σε συνήθως χρησιμοποιούμενα υλικά δεν έχουν ακόμη αναγνωριστεί.
**5. Τι ανακάλυψε η ερευνητική ομάδα;**
Οι ερευνητές ανακάλυψαν δύο είδη ελλείψεων με διαφορετικά φάσματα περιστροπής στο νιτριούχο καλλίο. Παρατηρήθηκαν σημαντικές αλλαγές φθορισμού κατά τις δονητικές συντονισμούς περιστροπής, κάτι που είναι σπάνιο για κβαντικές περιστροπές σε θερμοκρασία δωματίου.
**6. Ποιες είναι οι πιθανές εφαρμογές αυτών των ανακαλύψεων;**
Η ανακάλυψη της χειρισμό ά ξεχωριες περιστροπής στην βασική κατάσταση και της κβαντικής συνοχής της μπορεί να επηρεάσει την ανάπτυξη της κβαντικής επικοινωνίας και του κβαντικού υπολογισμού.
**7. Ποιες είναι οι πιθανές μελλοντικές κατευθύνσεις της έρευνας;**
Οι ερευνητές έχουν περισσότερα ερωτήματα που πρέπει να επιλυθούν για να κατανοήσουν καλύτερα αυτές τις ελλείψεις και να τις αξιοποιήσουν σε πρακτικές εφαρμογές.
Ορισμοί τεχνικών όρων και γλώσσας που χρησιμοποιούνται στο άρθρο:
– Ελλείψεις: Διαταραχές της ατομικής διάταξης σε ημιαγωγό υλικό.
– Περιστροπή: Η γωνιακή ροπή των ηλεκτρονίων που υπάρχουν σε ελλείψεις.
– Βαθμός ελευθερίας περιστροπής: Η ικανότητα να διαχειριστείτε τα αποθηκευμένα δεδομένα με περιστροπή.
– Νιτριούχο καλλίο: Δημοφιλές ημιαγωγικό υλικό.
– Κεντρικά κέντρα (color centers): Ελλείψεις που είναι υπεύθυνες για το χρώμα πολύτιμων λίθων.
– Κβαντικά bits (qubits): Μονάδες πληροφορίας σε κβαντική επικοινωνία και κβαντικό υπολογισμό.
Προτεινόμενοι σχετικοί σύνδεσμοι:
– Περιοδικό Nature Materials: URL
– Πανεπιστήμιο Cornell, Τμήμα Μηχανικής: URL
The source of the article is from the blog newyorkpostgazette.com