Nuevos defectos en el silicio: un salto cuántico
Los investigadores identifican defectos parecidos a centros T en silicio para aplicaciones cuánticas avanzadas.
― 7 minilectura
Tabla de contenidos
- Resumen de defectos similares al centro T
- Búsqueda de nuevos defectos
- Características de los defectos similares al centro T
- Propiedades ópticas de los defectos similares al centro T
- Comparación con defectos existentes
- Síntesis y estabilidad de los defectos similares al centro T
- Desafíos y direcciones futuras
- Conclusión
- Fuente original
- Enlaces de referencia
La tecnología cuántica es un área de estudio que tiene el potencial de cambiar cómo realizamos tareas relacionadas con la comunicación, la detección y la computación. Dentro de este campo, los qubits sirven como los bloques de construcción para los sistemas cuánticos. Los investigadores han examinado varios tipos de sistemas físicos para qubits. Ejemplos incluyen puntos cuánticos y trampas para iones. Otro grupo interesante son los Defectos Cuánticos que se pueden encontrar en materiales como el silicio.
El silicio es atractivo para aplicaciones cuánticas debido a su tecnología bien establecida en electrónica y sus propiedades favorables para los estados de spin. Entre los diferentes tipos de defectos en el silicio, el centro de vacantes de nitrógeno (NV) ha sido ampliamente estudiado. Sin embargo, tiene algunas limitaciones, como inconsistencias en el rendimiento y desafíos en la fabricación. Como resultado, muchos investigadores están buscando nuevos tipos de defectos cuánticos en silicio que podrían ofrecer un mejor rendimiento.
Resumen de defectos similares al centro T
En investigaciones recientes, los científicos han identificado una nueva clase de defectos en silicio que se parecen a un defecto conocido llamado centro T. Estos nuevos defectos consisten en un elemento del grupo III unido al carbono y situado en un punto de silicio. Son similares en estructura y función al centro T, exhibiendo propiedades electrónicas que podrían hacerlos útiles para varias aplicaciones.
El centro T (compuesto por dos átomos de carbono y un átomo de Hidrógeno) ha mostrado potencial para actuar como un emisor de fotones individuales. Esto significa que puede liberar luz de una manera muy controlada, lo cual es esencial para aplicaciones cuánticas. Los hallazgos recientes indican que los defectos similares al centro T también podrían emitir luz de manera efectiva e incluso podrían ofrecer características mejoradas sobre el centro T original.
Búsqueda de nuevos defectos
Para encontrar nuevos defectos cuánticos, los investigadores emplearon un enfoque de cribado computacional de alta capacidad. Esto implicó analizar una gran base de datos de más de 22,000 defectos cargados en silicio. Al explorar sistemáticamente estos defectos, los científicos identificaron candidatos que podrían funcionar como interfaces efectivas de spin-fotón. Estas son cruciales para las tecnologías cuánticas, ya que permiten la asignación de información cuántica a la luz.
El proceso comenzó creando una base de datos de varios defectos, incluidos defectos de sustitución e intersticiales. Cada defecto fue evaluado por su potencial para emitir luz en el rango de telecomunicaciones y proporcionar estados paramagnéticos estables. Los resultados indicaron que un número de nuevas configuraciones podría servir como emisores cuánticos efectivos.
Características de los defectos similares al centro T
Los nuevos defectos que se parecen al centro T comparten varias características importantes. Exhiben un estado base doble, que es esencial para funcionalidades en operaciones cuánticas. Además, se ha observado que estos defectos emiten luz en el espectro de telecomunicaciones, lo que los hace adecuados para tecnologías de comunicación.
Algunos defectos similares al centro T son similares en estructura electrónica al centro T original, pero también demuestran un mejor rendimiento, como tiempos de vida radiativa más largos o mayores eficiencias de emisión. Esto los convierte en un área atractiva para una mayor exploración.
Propiedades ópticas de los defectos similares al centro T
Para evaluar el rendimiento óptico de estos nuevos defectos, los investigadores realizaron cálculos detallados. Se centraron en propiedades como la línea cero-fonón (ZPL), que es importante para entender cómo y cuándo estos defectos emiten luz.
La ZPL indica la diferencia de energía entre los estados excitados y de base. Los investigadores encontraron que todos los defectos similares al centro T identificados emitían luz en la región del infrarrojo cercano, con longitudes de onda que son particularmente útiles para las telecomunicaciones. Por ejemplo, algunas configuraciones como B-C emiten con una energía de ZPL cercana al centro T, mientras que otras, como Al-C, exhiben energías diferentes pero aún muestran promesa.
Además, los investigadores examinaron el momento dipolar de transición, un factor crucial para entender la eficiencia de emisión de luz. Los resultados mostraron que algunos defectos tenían un momento dipolar de transición más alto que el centro T, sugiriendo una mayor luminosidad.
Comparación con defectos existentes
Las observaciones experimentales de defectos en silicio se han documentado durante años. Estudios recientes han proporcionado evidencia de que algunos de los nuevos defectos identificados pueden haber sido creados ya en entornos de laboratorio. Por ejemplo, los complejos Al-C y Ga-C se han relacionado con informes anteriores, coincidiendo estrechamente con los niveles de energía predichos.
En esencia, esta alineación entre las predicciones teóricas y los resultados experimentales sugiere que los nuevos defectos similares al centro T podrían existir y ser utilizados en aplicaciones prácticas. Esto es una confirmación importante de su potencial utilidad.
Síntesis y estabilidad de los defectos similares al centro T
Entender cómo sintetizar estos nuevos defectos es esencial. La investigación sugiere que un proceso de dos pasos podría ser el más efectivo. Esto implica primero crear versiones hidrogenadas de los defectos similares al centro T y luego deshidrogenarlos para formar las configuraciones más estables.
La estabilidad de estos defectos está influenciada por el potencial químico del hidrógeno. Al gestionar la cantidad de hidrógeno en el ambiente durante el proceso de síntesis, los científicos pueden favorecer la formación de los defectos deseados. Este método podría resultar en una tasa de producción más alta, haciendo que estos defectos sean más accesibles para la investigación y la aplicación.
Desafíos y direcciones futuras
A pesar de que los hallazgos son prometedores, quedan desafíos. Un área de preocupación es la síntesis de elementos del grupo III más pesados, que pueden mostrar dificultades para producir defectos estables. Esto podría obstaculizar que algunos de los nuevos defectos propuestos sean creados de manera confiable en un laboratorio.
Además, es importante llevar a cabo pruebas experimentales adicionales para validar las predicciones computacionales. Se necesitan más estudios para explorar todo el rango de defectos similares al centro T y sus comportamientos, incluida su posible utilización en redes cuánticas y computación.
Conclusión
En resumen, el descubrimiento de defectos similares al centro T en silicio abre una nueva vía en la tecnología cuántica. Su capacidad para emitir luz de manera efectiva y sus propiedades electrónicas favorables los convierten en fuertes candidatos para aplicaciones en la ciencia de la información cuántica. A medida que los investigadores continúan investigando y desarrollando estos defectos, tienen el potencial de contribuir significativamente a la evolución de las tecnologías cuánticas, mejorando nuestras futuras capacidades en comunicación y computación. Los estudios en curso serán esenciales para realizar su pleno potencial.
Título: Discovery of T center-like quantum defects in silicon
Resumen: Quantum technologies would benefit from the development of high performance quantum defects acting as single-photon emitters or spin-photon interface. Finding such a quantum defect in silicon is especially appealing in view of its favorable spin bath and high processability. While some color centers in silicon have been emerging in quantum applications, there is still a need to search and develop new high performance quantum emitters. Searching a high-throughput computational database of more than 22,000 charged complex defects in silicon, we identify a series of defects formed by a group III element combined with carbon ((A-C)$\rm _{Si}$ with A=B,Al,Ga,In,Tl) and substituting on a silicon site. These defects are analogous structurally, electronically and chemically to the well-known T center in silicon ((C-C-H)$\rm_{Si}$) and their optical properties are mainly driven by an unpaired electron in a carbon $p$ orbital. They all emit in the telecom and some of these color centers show improved properties compared to the T center in terms of computed radiative lifetime or emission efficiency. We also show that the synthesis of hydrogenated T center-like defects followed by a dehydrogenation annealing step could be an efficient way of synthesis. All the T center-like defects show a higher symmetry than the T center making them easier to align with magnetic fields. Our work motivates further studies on the synthesis and control of this new family of quantum defects, and also demonstrates the use of high-throughput computational screening to detect new complex quantum defects.
Autores: Yihuang Xiong, Jiongzhi Zheng, Shay McBride, Xueyue Zhang, Sinéad M. Griffin, Geoffroy Hautier
Última actualización: 2024-05-08 00:00:00
Idioma: English
Fuente URL: https://arxiv.org/abs/2405.05165
Fuente PDF: https://arxiv.org/pdf/2405.05165
Licencia: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Cambios: Este resumen se ha elaborado con la ayuda de AI y puede contener imprecisiones. Para obtener información precisa, consulte los documentos originales enlazados aquí.
Gracias a arxiv por el uso de su interoperabilidad de acceso abierto.
Enlaces de referencia
- https://doi.org/
- https://doi.org/10.1038/s41578-021-00306-y
- https://arxiv.org/abs/2010.16395
- https://doi.org/10.1063/5.0049372
- https://doi.org/10.1038/s41578-018-0008-9
- https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.1.020102
- https://arxiv.org/abs/2010.15700
- https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.113.220501
- https://doi.org/10.1063/5.0056534
- https://arxiv.org/abs/
- https://pubs.aip.org/aip/jap/article-pdf/doi/10.1063/5.0056534/15266654/070901
- https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.5.010102
- https://pubs.aip.org/aip/app/article-pdf/doi/10.1063/5.0049372/14079584/070901
- https://doi.org/10.1073/pnas.2121808119
- https://www.pnas.org/doi/pdf/10.1073/pnas.2121808119
- https://arxiv.org/abs/2211.09305v1
- https://doi.org/10.1038/s41928-020-00499-0
- https://doi.org/10.1038/s41524-022-00957-7
- https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.6.L053201
- https://doi.org/10.1103/PRXQuantum.1.020301
- https://doi.org/10.1126/science.1157233
- https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/science.1157233
- https://doi.org/10.1038/s41586-022-04821-y
- https://doi.org/10.48550/arXiv.2310.20014
- https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.3c04056
- https://doi.org/10.1364/OE.482008
- https://doi.org/10.1126/sciadv.adh8617
- https://www.science.org/doi/pdf/10.1126/sciadv.adh8617
- https://doi.org/10.1088/2633-4356/ad1d38
- https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.103.186404
- https://doi.org/10.1103/PhysRevB.93.201304
- https://doi.org/10.1088/1361-648x/ab94f4
- https://doi.org/10.1103/PhysRevB.90.075202
- https://arxiv.org/abs/2206.04824
- https://arxiv.org/abs/2402.08257
- https://doi.org/10.1021/acs.jctc.3c00986
- https://doi.org/10.1088/0022-3719/18/26/005
- https://doi.org/10.1103/PhysRevB.32.6720
- https://doi.org/10.1088/0022-3719/18/26/018
- https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.77.4812
- https://doi.org/10.48550/arXiv.2402.07705
- https://doi.org/10.1063/1.329415
- https://pubs.aip.org/aip/jap/article-pdf/52/8/5148/18393716/5148
- https://doi.org/10.1016/0022-2313
- https://doi.org/10.1088/0268-1242/9/7/013
- https://doi.org/10.1088/1367-2630/ac291f
- https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.119.223602
- https://doi.org/10.1038/s41467-020-15138-7
- https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2017.07.030
- https://doi.org/10.1016/j.commatsci.2012.10.028
- https://doi.org/10.1103/PhysRevB.54.11169
- https://doi.org/10.1016/0927-0256
- https://doi.org/10.1103/PhysRevB.50.17953
- https://doi.org/10.1063/1.1564060
- https://doi.org/10.1016/j.cpc.2018.01.004
- https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.67.2339
- https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.045112
- https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.102.016402
- https://doi.org/10.1103/PhysRevB.89.195205
- https://github.com/QijingZheng/VaspBandUnfolding
- https://doi.org/10.1515/nanoph-2019-0154
- https://arxiv.org/abs/1906.00047
- https://doi.org/10.2533/000942905777676164
- https://doi.org/10.1063/1.2770708
- https://pubs.aip.org/aip/jcp/article-pdf/doi/10.1063/1.2770708/14787836/114105
- https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.045303
- https://doi.org/10.1088/1361-648X/acd831
- https://doi.org/10.1016/j.cpc.2021.108222