Исследование показывает, что инженерия деформации улучшает считывание спина в квантовых технологиях

Квантовые дефекты — это крошечные дефекты в кристаллических решетках твердого тела, которые могут захватывать отдельные электроны и их «спин» (т. е. внутренний угловой момент частиц). Эти дефекты играют центральную роль в функционировании различных квантовых технологий, включая квантовые датчики, компьютеры и системы связи.

Таким образом, надежное прогнозирование и контроль поведения квантовых дефектов очень важно, поскольку это может проложить путь к разработке более эффективных квантовых систем, адаптированных для конкретных приложений. Свойством, тесно связанным с надежностью квантовых технологий, является так называемый контраст считывания спина, который, по сути, определяет, насколько четко можно различать два разных спиновых состояния в системе.

Исследователи из Харбинского технологического института (Шэньчжэнь), Исследовательского центра физики Вигнера HUN-REN, Шанхайского института микросистем и информационных технологий, Китайской академии наук и других институтов недавно показали, что инженерия деформации (т. е. растяжение или сжатие материалов) может использоваться для управления поведением квантовых дефектов и повышения контрастности считывания спина в квантовых системах.

Их бумага, опубликовано в Письма о физических отзывахможет открыть новые возможности для реализации сложных квантовых биосенсорных устройств и других передовых квантовых технологий.

«Наша статья была вдохновлена проблемой достижения надежного считывания спина в твердотельных системах с квантовыми дефектами, особенно при комнатная температура«, — рассказали Phys.org Адам Гали, Цинхай Сун и Ю Чжоу, состаршие авторы статьи.

«Мы стремились показать, что деформация может быть потенциальным контрольным параметром, позволяющим значительно повысить контрастность считывания высокоспиновых твердотельных дефектов, что имеет решающее значение для развития квантовых технологий, например, разработки эффективных квантовых датчиков, работающих в условиях окружающей среды».

В качестве первого шага группа физиков-теоретиков под руководством профессора Адама Гали из Исследовательского центра Вигнера HUN-REN разработала новую структуру. Эта концепция описывает взаимосвязь между контрастом считывания спина системы и электронной структурой высокоспиновых дефектов.

«Затем мы использовали волновые функции ab initio для расчета соответствующих величин и количественной оценки контраста», — объяснил Гали.

«Мы предположили, что определенные поля деформации могут настраивать эти величины, тем самым позволяя контролировать контрастность показаний. Основываясь на нашей предыдущей теоретической работе, мы проверили эту гипотезу и обнаружили значительный эффект, вызванный деформацией».

Основываясь на теоретической работе Гали и его коллег, другая исследовательская группа из Харбинского технологического института под руководством профессора Цинхая Сун провела эксперименты, направленные на оценку потенциала деформационной инженерии для управления контрастом считывания спинов.

В рамках этих экспериментов команда использовала существующую деформацию внутри карбидокремниевых мембран и измерила спиновые свойства отдельных дефектов.

«Наши эксперименты подтвердили результаты моделирования, продемонстрировав значительно улучшенный контраст показаний, что означает, что мы можем более эффективно различать различные состояния вращения», — сказал Сонг.

«Наше самое важное открытие заключается в том, что деформационная инженерия — это мощный и практичный способ повысить контраст считывания спина квантовых дефектов, достигая более 60% при комнатной температуре».

Эта работа Гали, Сонга и их коллег демонстрирует, что тщательное проектирование напряжения, приложенного к квантовым системам, может значительно улучшить способность различать различные спиновые состояния внутри них. В рамках своего исследования ученые показали, что деформационная инженерия может значительно повысить чувствительность квантовых датчиков.

Другие исследовательские группы вскоре смогут черпать вдохновение из этой статьи и приступить к разработке других стратегий, основанных на инженерии деформации, для точного контроля квантовых дефектов. Тем временем Гали, Сонг и их коллеги планируют продолжать совершенствовать свой подход и оценивать его потенциал для повышения производительности других квантовых устройств.

«В наши планы на будущее входит поиск более точных методов контроля деформации и достижение более точной характеристики базовой физики взаимодействий деформации и спина», — добавил Сонг.

«Мы также стремимся распространить инженерию деформации на другие системы квантовых дефектов и интегрировать эти напряженные материалы в усовершенствованные квантовые схемы».

© 2025 Сеть Science X