Пробел в расчетах. Ученые обнаружили недооцененный механизм, важный для будущих квантовых компьютеров

Работа поможет объяснить поведение карбида кремния и усовершенствовать материалы квантовых технологий.

Крохотные дефекты в кристаллической структуре алмаза и карбида кремния могут стать основой будущих квантовых устройств. Когда на них попадает свет, электроны поглощают энергию и переходят в возбужденное состояние. Такие образования называют спиновыми дефектами. Они перспективны для создания квантовых сенсоров и кубитов — базовых элементов квантовых компьютеров, способных хранить и передавать квантовую информацию.

Однако предположить, как именно эти дефекты теряют энергию и возвращаются в исходное состояние, до сих пор было сложно. После лазерного возбуждения это может происходить несколькими путями: из-за излучения фотона, переходов между состояниями с разными спинами или передачи энергии колебанием атомов вокруг дефекта. Последний процесс называется внутренней конверсией, и именно его особенно трудно было точно рассчитать.

Команда Притцкеровской школы молекулярной инженерии Чикагского университета объединила несколько вычислительных подходов, чтобы создать более полную модель оптического цикла спиновых дефектов. Исследователи использовали математические описания возбужденных электронных состояний, позволяющих определить, как они взаимодействуют с колебаниями сотен окружающих атомов. Раньше эффективных алгоритмов для такого комплексного расчета не хватало.

Новый метод был интегрирован в открытую программу WEST, оптимизированную для графических процессоров. Результаты работы были опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Сначала ученые проверили подход на азотно-вакансионном центре в алмазе — одном из самых известных кристаллических дефектов, исследуемых для квантовых технологий. Расчеты совпали с результатами недавних спектроскопических измерений. Оказалось, что внутренняя конверсия играет сравнительно небольшую роль в потере энергии триплетных состояний, но является основным механизмом для синглетных состояний.

Наиболее неожиданные результаты появились при исследовании дефекта, известного как двойная вакансия в карбиде кремния. Моделирование показало, что внутренняя конверсия значительно сильнее влияет на время жизни возбужденного триплетного состояния, чем предполагали предыдущие модели. Этот ранее недооцененный механизм помог объяснить длительное несоответствие между теоретическими прогнозами и экспериментальными наблюдениями.

По словам руководительницы исследования Джулии Галли, внутренняя конверсия важна не только для спиновых дефектов, но и для процессов, связанных с энергетическими технологиями. В частности, понимание того, как материалы передают и теряют энергию, может быть полезно для исследований систем ее преобразования и хранения, в частности в сфере возобновляемой энергетики.

В настоящее время использование нового метода требует значительных вычислительных ресурсов. Команда ищет способы сделать более эффективными расчеты, в частности с помощью машинного обучения. Также исследователи планируют применить подход к спиновым дефектам в кремнии и другим материалам, важным для энергетических технологий.

Ученые надеются, что точнее моделирование поможет лучше прогнозировать свойства кристаллических дефектов и определять, какие из них лучше всего подходят для будущих квантовых устройств.