Cuando se exponen a tensiones y deformaciones, los materiales pueden mostrar una amplia gama de propiedades diferentes. Mediante el uso de ondas sonoras, los científicos han comenzado a explorar comportamientos de tensión fundamentales en un material cristalino que podría formar la base de las tecnologías de información cuántica. Estas tecnologías involucran materialesque puede codificar información en varios estados simultáneamente, lo que permite un cálculo más eficiente.
En un nuevo descubrimiento realizado por investigadores del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. Y la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker PME de la Universidad de Chicago, los científicos utilizaron rayos X para observar cambios espaciales en un cristal de carburo de silicio al utilizar sonidoondas para tensar los defectos enterrados en su interior. El trabajo sigue a un estudio anterior reciente en el que los investigadores observaron cambios en el estado de giro de los electrones del defecto cuando el material se tensó de manera similar.
Debido a que estos defectos están bien aislados dentro del cristal, pueden actuar como un solo estado molecular y como portadores de información cuántica. Cuando los electrones atrapados cerca de los defectos cambian entre estados de espín, emiten energía en forma de fotones. Dependiendo deen el que se encuentran los electrones, emiten más o menos fotones en una técnica conocida como lectura dependiente de espín.
En el experimento, los investigadores buscaron evaluar la relación entre la energía del sonido utilizada para producir la tensión en los defectos en la red cristalina y las transiciones de giro indicadas por los fotones emitidos. Mientras que los defectos en el cristal emiten fluorescencia de forma natural, elLa tensión hace que el giro de tierra del electrón cambie de estado, lo que resulta en una manipulación coherente del estado de giro que se puede medir ópticamente.
"Queríamos ver el acoplamiento entre la tensión del sonido y la respuesta de la luz, pero para ver exactamente cuál es el acoplamiento entre ellos, necesita saber cuánta tensión está aplicando y cuánta más respuesta óptica tiene"", dijo el nanocientífico de Argonne Martin Holt, autor principal del estudio.
Los electrodos que se utilizan para generar las ondas sonoras tienen aproximadamente cinco micrones de ancho, mucho más grandes que los defectos mismos, que consisten en dos átomos faltantes, conocido como complejo divacante. La onda sonora presiona los defectos presionándolos y tirando de ellos alternativamente,causando que los electrones cambien sus espines.
Para caracterizar la celosía y los defectos, los investigadores de Argonne utilizaron la línea de luz Nanoprobe de rayos X duros operada conjuntamente en el Centro de materiales a nanoescala y fuente de fotones avanzados APS del laboratorio, ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE.Con microscopía de difracción de Bragg estroboscópica, Holt y sus colegas pudieron obtener imágenes de la red alrededor de los defectos en muchos puntos diferentes a lo largo del ciclo de deformación.
"Estamos interesados en cómo manipular el estado de giro original con ondas acústicas y cómo se puede trazar espacialmente la mecánica de la deformación con rayos X", dijo el científico de materiales de Argonne y científico del personal de PME, Joseph Heremans, otro autorde El estudio.
"Los rayos X miden exactamente la distorsión de la red", agregó Holt.
La difracción estroboscópica de Bragg implica sincronizar la frecuencia de la onda acústica con la frecuencia de los pulsos de electrones en el anillo de almacenamiento del APS. De esta manera, los investigadores fueron esencialmente capaces de "congelar la onda en el tiempo", según Holt. Esto permitiópara crear una serie de imágenes de la tensión experimentada por la red en cada punto de la onda.
"Es como si tuvieras ondas en un estanque y pudieras hacer brillar una luz en un punto del estanque", dijo Holt. "Verías un movimiento de pico a valle y de valle a pico".
"Estamos imaginando directamente la huella del sonido que atraviesa este cristal", agregó Heremans. "Las ondas sonoras hacen que la red se curve, y podemos medir exactamente cuánto se curva la retícula al pasar por un punto específico de la red en unpunto específico en el tiempo. "
El uso de difracción de Bragg estroboscópica permite a los científicos determinar la correlación directa entre la deformación dinámica y el comportamiento cuántico del defecto, dijo Holt. En el carburo de silicio, esta relación se comprende bastante bien, pero en otros materiales la técnica podría revelar resultados sorprendentesrelaciones entre la deformación y otras propiedades.
"Esta técnica nos abre un camino para descubrir los comportamientos en muchos sistemas en los que no tenemos una buena predicción analítica de cuál debería ser la relación", dijo Holt.
"Este estudio combina la experiencia de una institución académica líder con la instrumentación de vanguardia de un laboratorio nacional para desarrollar una técnica novedosa para sondear materia a escala atómica, que revela la capacidad de las ondas sonoras para controlar las tecnologías cuánticas de semiconductores,", agregó el científico senior de Argonne y profesor de ingeniería molecular de PME Liew Family, David Awschalom, colaborador de la investigación.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionado por DOE / Laboratorio Nacional Argonne . Nota: el contenido se puede editar por estilo y longitud.
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