Cuando se expone a estrés y tensión, Los materiales pueden mostrar una amplia gama de propiedades diferentes. Mediante el uso de ondas sonoras, Los científicos han comenzado a explorar los comportamientos fundamentales del estrés en un material cristalino que podría formar la base de las tecnologías de la información cuántica. Estas tecnologías involucran materiales que pueden codificar información en varios estados simultáneamente, permitiendo 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 usaron rayos X para observar cambios espaciales en un cristal de carburo de silicio cuando usaban ondas sonoras para filtrar 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 del estado en que se encuentren 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 sobre los defectos en la red cristalina y las transiciones de espín indicadas por los fotones emitidos. Mientras que los defectos en el cristal fluorescen naturalmente, la tensión adicional hace que el giro de tierra del electrón cambie de estado, dando como resultado una manipulación coherente del estado de giro que se puede medir ópticamente.

"Queríamos ver el acoplamiento entre la tensión del sonido y la respuesta a la luz, pero para ver exactamente cuál es el acoplamiento entre ellos, necesita saber la cantidad de tensión que está aplicando, y cuánta más respuesta óptica estás obteniendo, "dijo el nanocientífico de Argonne Martin Holt, el autor principal del estudio.

Los electrodos utilizados para generar las ondas sonoras tienen aproximadamente cinco micrones de ancho, mucho más grande que los propios defectos, que constan de dos átomos faltantes conocido como complejo de divacancy. La onda de sonido tensiona los defectos empujándolos y tirando de ellos alternativamente, haciendo que los electrones cambien sus espines.

Para caracterizar la celosía y los defectos, Los investigadores de Argonne utilizaron la línea de luz Hard X-ray Nanoprobe operada conjuntamente en el Centro de Materiales a Nanoescala y Fuente Avanzada de Fotones (APS) del laboratorio. ambas instalaciones para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE. A través de una técnica recientemente desarrollada llamada 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 mapear 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 autor del estudio.

"Los rayos X miden exactamente la distorsión de la red, "Añadió Holt.

La difracción de Bragg estroboscópica implica sincronizar la frecuencia de la onda acústica con la frecuencia de los pulsos de electrones en el anillo de almacenamiento del APS. De este modo, los investigadores fueron esencialmente capaces de "congelar la ola en el tiempo, "según Holt. Esto les permitió crear una serie de imágenes de la tensión experimentada por la celosía en cada punto de la onda.

"Es como si tuvieras ondas en un estanque, y podrías iluminar un lugar 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, "Heremans agregó." Las ondas sonoras hacen que la celosía se curve, y podemos medir exactamente cuánto se curva la celosía pasando por un punto específico de la celosía en un punto específico en el tiempo ".

El uso de difracción estroboscópica de Bragg permite a los científicos determinar la correlación directa entre la deformación dinámica y el comportamiento cuántico del defecto. Dijo Holt. En carburo de silicio, esta relación se comprende bastante bien, pero en otros materiales, la técnica podría revelar relaciones sorprendentes 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, revelando la capacidad de las ondas sonoras para controlar las tecnologías cuánticas de semiconductores, "añadió el científico senior de Argonne y profesor de ingeniería molecular de PME Liew Family, David Awschalom, colaborador de la investigación.

Un artículo basado en el estudio, "Correlacionar la deformación dinámica y la fotoluminiscencia de los defectos de estado sólido con microscopía de difracción de rayos X estroboscópica, "apareció en la edición en línea del 29 de julio de Comunicaciones de la naturaleza .