Акустические резонансы в таких устройствах, как смартфоны и системы Wi-Fi, со временем ухудшаются, но не существует простого способа отслеживать это ухудшение. Исследователи из Гарвардского университета SEAS и Университета Пердью теперь разработали метод использования атомных вакансий в карбиде кремния для измерения стабильности этих резонаторов и даже манипулирования квантовыми состояниями, что потенциально принесет пользу будущим разработкам в области акселерометров, гироскопов, часов и квантовых сетей.
Использование звуковых волн для контроля атомных вакансий может улучшить коммуникационные технологии и создать новые механизмы управления квантовыми вычислениями.
Акустический резонанс повсюду. На самом деле, есть большая вероятность, что вы прямо сейчас держите его в руках. Сегодня большинство смартфонов используют объемные акустические резонаторы в качестве радиочастотных фильтров для фильтрации шума, который может ухудшить качество сигнала. Эти фильтры также используются в большинстве систем Wi-Fi и GPS.
Акустические резонаторы более стабильны, чем электронные резонаторы, но также могут со временем деградировать. В настоящее время не существует простого способа активного мониторинга и анализа ухудшения качества материалов в этих широко используемых устройствах.
Теперь исследователи из Гарвардской школы инженерных и прикладных наук имени Джона Полсона (SEAS) в сотрудничестве с исследователями из лаборатории OxideMEMS Университета Пердью разработали систему, которая использует атомные вакансии в карбиде кремния для измерения стабильности и качества акустических резонансов. Более того, эти вакансии также можно использовать для управляемой звуком обработки квантовой информации, предоставляя новый способ манипулирования квантовыми состояниями, встроенными в этот широко используемый материал.
«Карбид кремния, в котором размещены как квантовые репортеры, так и акустические резонансные зонды, представляет собой готовый коммерческий полупроводник, который можно использовать при комнатной температуре», — сказала Эвелин Ху, старший автор статьи и профессор Тал-Койна на кафедрах прикладной физики и электротехники, а также профессор Робин Ли и Вэйхуа Ма в Колледже искусств и наук. «В качестве зонда акустического резонанса эта технология из карбида кремния может использоваться для мониторинга производительности акселерометров, гироскопов и часов в течение их срока службы, а в квантовых сценариях потенциально может использоваться в гибридной квантовой памяти и квантовых сетях».
Исследование было опубликовано в журнале Nature Electronics.
Карбид кремния — широко используемый материал в микроэлектромеханических системах (МЭМС), включая объемные акустические резонаторы. «В частности, известно, что резонаторы из карбида кремния, изготавливаемые в масштабе пластины, имеют лучшие в своем классе показатели добротности», — сказал соавтор Сунил Бхаве, профессор Школы электротехники и вычислительной техники семьи Элмор в Университете Пердью. «Однако дефекты роста кристаллов, такие как дислокации и границы зерен, а также производственные дефекты резонатора, такие как шероховатость, системные напряжения и микромасштабные ямки, могут создавать области концентрации напряжений внутри МЭМС-резонаторов».
Сегодня единственный способ заглянуть внутрь акустического резонатора, не разрушив его, — это использовать сверхмощные и очень дорогие рентгеновские лучи, такие как рентгеновский луч широкого спектра Аргоннской национальной лаборатории.
«Эти типы дорогих и недоступных машин невозможно измерить или охарактеризовать на литейном заводе или там, где эти устройства фактически производятся или используются», — сказал Джонатан Дитц, аспирант SEAS и соавтор статьи. «Нашей мотивацией было попытаться разработать метод, который позволил бы нам контролировать акустическую энергию внутри объемного акустического резонатора, чтобы вы могли использовать эти результаты обратно в процесс проектирования и производства».
Карбид кремния часто имеет естественные дефекты, при которых атом удаляется из кристаллической решетки, создавая пространственно локализованное электронное состояние, спин которого может взаимодействовать с акустическими волнами посредством деформации материала, например, создаваемой акустическими резонаторами.
Когда звуковые волны проходят через материал, они создают механические напряжения в кристаллической решетке, вызывая переворот спинов дефектов. Изменения в спиновом состоянии можно наблюдать, освещая материал лазером, чтобы увидеть, сколько дефектов «открывается» или «закрывается» после возмущения.
«Насколько темный или яркий свет показывает, насколько сильна акустическая энергия в окружающей среде, где расположен дефект», — сказал Аарон Дэй, аспирант SEAS и соавтор статьи. «Поскольку эти дефекты имеют размер всего лишь одного атома, информация, которую они предоставляют, очень локализована, поэтому вы можете фактически составить карту акустических волн внутри устройства таким неразрушающим способом».
Карта может указать, где и как система может ухудшаться или работать неоптимально. Эти дефекты в карбиде кремния также могут стать кубитами в квантовых системах. Сегодня многие квантовые технологии основаны на спиновой когерентности: как долго спин остается в определенном состоянии. Эта когерентность обычно контролируется магнитными полями.
Но Ху и ее команда использовали свою технику, чтобы показать, что они могут управлять вращением, механически деформируя материал звуковыми волнами, достигая качества управления, аналогичного другим методам, использующим переменные магнитные поля.
«Использование естественного механического свойства материала — деформации — расширяет возможности нашего контроля над материалом», — сказал Ху. «Когда мы деформируем материал, мы обнаружили, что мы также можем контролировать когерентность спинов, и мы можем получить эту информацию, просто посылая звуковые волны через материал. Это дает нам важный новый инструмент для определения внутренних свойств материала, который мы можем использовать для управления квантовыми состояниями, встроенными в материал».