Novos Defeitos no Silício: Um Salto Quântico
Pesquisadores identificam defeitos parecidos com centros T no silício para aplicações quânticas avançadas.
― 6 min ler
Índice
- Visão Geral dos Defeitos Semelhantes ao Centro T
- Procurando Novos Defeitos
- Características dos Defeitos Semelhantes ao Centro T
- Propriedades Ópticas dos Defeitos Semelhantes ao Centro T
- Comparação com Defeitos Existentes
- Síntese e Estabilidade dos Defeitos Semelhantes ao Centro T
- Desafios e Direções Futuras
- Conclusão
- Fonte original
- Ligações de referência
A tecnologia quântica é uma área de estudo que tem o potencial de mudar a forma como realizamos tarefas relacionada à comunicação, sensoriamento e computação. Dentro desse campo, os qubits servem como os blocos de construção para sistemas quânticos. Pesquisadores têm analisado vários tipos de sistemas físicos para qubits. Exemplos incluem pontos quânticos e armadilhas para íons. Outro grupo interessante são os Defeitos Quânticos que podem ser encontrados em materiais como o silício.
O silício é atraente para aplicações quânticas devido à sua tecnologia bem estabelecida em eletrônicos e suas propriedades favoráveis para estados de spin. Entre os diferentes tipos de defeitos no silício, o centro de nitrogênio-vacância (NV) foi amplamente estudado. No entanto, ele tem algumas limitações, como inconsistências no desempenho e desafios na fabricação. Como resultado, muitos pesquisadores estão à procura de novos tipos de defeitos quânticos no silício que possam oferecer um desempenho melhor.
Visão Geral dos Defeitos Semelhantes ao Centro T
Em pesquisas recentes, cientistas identificaram uma nova classe de defeitos no silício que se parecem com um defeito conhecido chamado centro T. Esses novos defeitos consistem em um elemento do grupo III ligado ao carbono e situado em um ponto de silício. Eles são semelhantes em estrutura e função ao centro T, exibindo propriedades eletrônicas que podem torná-los úteis para várias aplicações.
O centro T (composto por dois átomos de carbono e um átomo de Hidrogênio) mostrou potencial para funcionar como um emissor de fótons únicos. Isso significa que ele pode liberar luz de uma maneira muito controlada, o que é essencial para aplicações quânticas. As descobertas recentes indicam que defeitos semelhantes ao centro T também poderiam emitir luz efetivamente e até oferecer características aprimoradas em relação ao centro T original.
Procurando Novos Defeitos
Para encontrar novos defeitos quânticos, os pesquisadores utilizaram uma abordagem de triagem computacional de alto rendimento. Isso envolveu a análise de um grande banco de dados com mais de 22.000 defeitos carregados em silício. Ao explorar sistematicamente esses defeitos, os cientistas identificaram candidatos que poderiam funcionar como interfaces eficientes entre spin e fóton. Essas são cruciais para tecnologias quânticas, pois permitem o mapeamento de informações quânticas na luz.
O processo começou criando um banco de dados de vários defeitos, incluindo defeitos de substituição e intersticiais. Cada defeito foi avaliado quanto ao seu potencial para emitir luz na faixa de telecomunicações e para fornecer estados paramagnéticos estáveis. Os resultados indicaram que várias novas configurações poderiam servir como emissores quânticos eficazes.
Características dos Defeitos Semelhantes ao Centro T
Os novos defeitos que se assemelham ao centro T compartilham várias características importantes. Eles exibem um estado fundamental de dupla, que é essencial para funcionalidades em operações quânticas. Além disso, esses defeitos foram observados emitindo luz no espectro de telecomunicações, tornando-os adequados para tecnologias de comunicação.
Alguns defeitos semelhantes ao centro T são similares em estrutura eletrônica ao centro T original, mas também demonstram melhor desempenho, como maiores vidas radiativas ou eficiências de emissão mais altas. Isso os torna uma área atraente para mais exploração.
Propriedades Ópticas dos Defeitos Semelhantes ao Centro T
Para avaliar o desempenho óptico desses novos defeitos, os pesquisadores realizaram cálculos detalhados. Eles se concentraram em propriedades como a linha zero-fôton (ZPL), que é importante para entender como e quando esses defeitos emitem luz.
A ZPL indica a diferença de energia entre os estados excitados e fundamentais. Os pesquisadores descobriram que todos os defeitos semelhantes ao centro T identificados emitiram luz na região do infravermelho próximo, com comprimentos de onda que são particularmente úteis para telecomunicações. Por exemplo, algumas configurações como B-C emitem com uma energia de ZPL próxima ao centro T, enquanto outras, como Al-C, exibem energias diferentes, mas ainda mostram potencial.
Além disso, os pesquisadores examinaram o momento dipolar de transição, um fator crucial para entender a eficiência da emissão de luz. Os resultados mostraram que alguns defeitos tinham um momento dipolar de transição maior que o do centro T, sugerindo um brilho aprimorado.
Comparação com Defeitos Existentes
Observações experimentais de defeitos no silício foram documentadas por anos. Estudos recentes forneceram evidências de que alguns dos novos defeitos identificados podem já ter sido criados em ambientes laboratoriais. Por exemplo, os complexos Al-C e Ga-C foram associados a relatórios anteriores, correspondendo de perto aos níveis de energia previstos.
Em essência, esse alinhamento entre previsões teóricas e resultados experimentais sugere que os novos defeitos semelhantes ao centro T poderiam existir e ser utilizados em aplicações práticas. Isso é uma confirmação importante de sua potencial utilidade.
Síntese e Estabilidade dos Defeitos Semelhantes ao Centro T
Entender como sintetizar esses novos defeitos é essencial. Pesquisas sugerem que um processo em duas etapas pode ser mais eficaz. Isso envolve primeiro criar versões hidrogenadas dos defeitos semelhantes ao centro T e, em seguida, desidrogená-las para formar as configurações mais estáveis.
A estabilidade desses defeitos é influenciada pelo potencial químico do hidrogênio. Ao gerenciar a quantidade de hidrogênio no ambiente durante o processo de síntese, os cientistas podem favorecer a formação dos defeitos desejados. Esse método poderia resultar em uma maior taxa de produção, tornando esses defeitos mais acessíveis para pesquisa e aplicação.
Desafios e Direções Futuras
Embora as descobertas sejam promissoras, desafios ainda permanecem. Uma área de preocupação é a síntese de elementos mais pesados do grupo III, que podem apresentar dificuldades na produção de defeitos estáveis. Isso pode dificultar a criação confiável de alguns dos novos defeitos propostos em laboratório.
Além disso, é importante realizar mais provas experimentais para validar as previsões computacionais. Mais estudos são necessários para explorar toda a gama de defeitos semelhantes ao centro T e seus comportamentos, incluindo seu uso potencial em redes quânticas e computação.
Conclusão
Em resumo, a descoberta de defeitos semelhantes ao centro T no silício abre um novo caminho na tecnologia quântica. Sua capacidade de emitir luz efetivamente e suas propriedades eletrônicas favoráveis fazem deles fortes candidatos para aplicações em ciência da informação quântica. À medida que os pesquisadores continuam a investigar e desenvolver esses defeitos, eles têm o potencial de contribuir significativamente para a evolução das tecnologias quânticas, aprimorando nossas capacidades futuras em comunicação e computação. Os estudos em andamento serão essenciais para realizar todo o seu potencial.
Título: Discovery of T center-like quantum defects in silicon
Resumo: 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 atualização: 2024-05-08 00:00:00
Idioma: English
Fonte URL: https://arxiv.org/abs/2405.05165
Fonte PDF: https://arxiv.org/pdf/2405.05165
Licença: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Alterações: Este resumo foi elaborado com a assistência da AI e pode conter imprecisões. Para obter informações exactas, consulte os documentos originais ligados aqui.
Obrigado ao arxiv pela utilização da sua interoperabilidade de acesso aberto.
Ligações de referência
- 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