Kamera zachytáva atómové šokové vlny predtým, než sa v kryštáli vytvorí kvantový bit

Vedci zaznamenali, čo sa deje v kryštáli v zlomku sekundy predtým, než sa vytvorí kvantový bit. Tím z Argonne National Laboratory, ktorý patrí pod Ministerstvo energetiky USA, sledoval štrukturálne zmeny v silikónkarbide v trojrozmernom priestore.

Na experiment použili jeden z najsilnejších zdrojov röntgenového žiarenia na svete. Ich zistenia, publikované v časopise ACS Nano, umožňujú výskumníkom sledovať, ako sa atómová mriežka materiálu reaguje na laserové údery pod povrchom v reálnom čase.

Vytvorenie kvantového zariadenia na báze pevných látok často zahŕňa zámerné poškodenie. Fyzici vystrelia bleskovo rýchly laserový impulz do kryštálovej mriežky. Záblesk trvá len zlomok pikosekundy a lúč posúva jednotlivé atómy z ich pôvodných miest. Tento proces zanecháva za sebou drobné prázdne miesta známe ako vakancie.

"Ďaleko od toho, aby boli chybami, tieto vakancie môžu fungovať ako qubity - základné stavebné bloky kvantových informácií," poznamenali v ANL. Qubity uchovávajú a spracovávajú kvantové informácie. Z tohto dôvodu slúžia ako základné stavebné bloky pre kvantové počítače, zabezpečené komunikačné siete a pokročilé medicínske senzory.

Hra pokus-omyl

Doteraz zostávala presná fyzika tohto laserového úderu slepým miestom. Staršie metódy používali lúče iónov alebo elektrónov, ale ponúkali len obmedzenú kontrolu nad polohou. Lasery môžu cieliť na konkrétne miesta, ale výskumníci mohli len hádať, ako energia prechádza mriežkou. Vytváranie qubitov bolo do značnej miery hrou pokus-omyl.

"Predtým, než môžete presne navrhnúť kvantové defekty, musíte presne pochopiť, čo laser robí vo vnútri materiálu," povedal vedec z Argonne, Haidan Wen, jeden z autorov štúdie.

"Táto technika nám umožňuje sledovať, ako sa tento proces vyvíja, najmä ako sa atómy pohybujú spôsobmi, ktoré predtým neboli možné."

Aby vyriešili túto hádanku, tím z Argonne vytvoril kameru na atómovej úrovni. Spojili ultrarýchly laser s pokročlým zdrojom fotónov laboratória, ktorý produkuje mimoriadne jasné röntgenové lúče. Tím zameral tento lúč na niekoľko stoviek nanometrov, čo je približne sto krát tenšie ako ľudský vlas.

Tvrdé röntgenové lúče prechádzajú priamo cez kryštál. Vďaka tomuto prenikaniu zaznamenávali impulzy aktivitu hlboko vo vzorke, a nie len na vonkajšom povrchu. Laser zasiahol materiál a synchronizované röntgenové záblesky zachytili bezprostredné následky.

Odhaľovanie dvoch odlišných reakcií

Obrázky odhalili dve odlišné fyzikálne reakcie, ktoré prebiehali vedľa seba. Časť energie sa šíri kryštálom ako organizovaná šoková vlna. Táto vlna sa správa ako vlny šíriace sa po udretom gumovom liste. Medzitým sa zvyšok energie šíri pomalšie ako teplo. Tento tepelný výbuch spôsobuje, že blízke atómy vibrujú náhodne, kým sa mriežka opäť neusadí.

Silikónkarbid je už teraz základným kameňom priemyslu komerčných počítačových čipov. Továrne už vedia, ako ho vyrábať vo veľkom meradle. V dôsledku toho je tento materiál široko považovaný za top kandidáta na ďalšie pokročilé aplikácie v oblasti kvantových technológií.