Lorsqu'il est exposé au stress et à la tension, les matériaux peuvent présenter un large éventail de propriétés différentes. En utilisant des ondes sonores, les scientifiques ont commencé à explorer les comportements de stress fondamentaux dans un matériau cristallin qui pourraient constituer la base des technologies de l'information quantique. Ces technologies impliquent des matériaux capables de coder des informations dans plusieurs états simultanément, permettant un calcul plus efficace.

Dans une nouvelle découverte par des chercheurs du laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie et de la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago, les scientifiques ont utilisé les rayons X pour observer les changements spatiaux dans un cristal de carbure de silicium lors de l'utilisation d'ondes sonores pour déformer les défauts enfouis à l'intérieur. Le travail fait suite à une étude récente antérieure dans laquelle les chercheurs ont observé des changements dans l'état de spin des électrons du défaut lorsque le matériau était soumis à une contrainte similaire.

Parce que ces défauts sont bien isolés dans le cristal, ils peuvent agir comme un seul état moléculaire et comme porteurs d'informations quantiques. Lorsque les électrons piégés près des défauts changent entre les états de spin, ils émettent de l'énergie sous forme de photons. Selon l'état dans lequel se trouvent les électrons, ils émettent plus ou moins de photons dans une technique connue sous le nom de lecture dépendante du spin.

Dans l'expérience, les chercheurs ont cherché à évaluer la relation entre l'énergie sonore utilisée pour produire la contrainte sur les défauts du réseau cristallin et les transitions de spin indiquées par les photons émis. Alors que les défauts du cristal sont naturellement fluorescents, la contrainte supplémentaire provoque le changement d'état du spin fondamental de l'électron, résultant en une manipulation cohérente de l'état de spin qui peut être mesurée optiquement.

"Nous voulions voir le couplage entre la contrainte sonore et la réponse lumineuse, mais pour voir exactement quel est le couplage entre eux, vous devez savoir à la fois combien de contrainte vous appliquez, et combien plus de réponse optique vous obtenez, " a déclaré Martin Holt, nanoscientifique d'Argonne, l'auteur principal de l'étude.

Les électrodes utilisées pour générer les ondes sonores ont une largeur d'environ cinq microns, bien plus grand que les défauts eux-mêmes, qui se composent de deux atomes manquants connus sous le nom de complexe de divacance. L'onde sonore tend les défauts en les poussant et en les tirant alternativement, provoquant le changement de spin des électrons.

Pour caractériser le réseau et les défauts, Les chercheurs d'Argonne ont utilisé la ligne de lumière à rayons X durs Nanosonde exploitée conjointement au Centre des matériaux à l'échelle nanométrique et de la source de photons avancée (APS) du laboratoire, les deux installations pour les utilisateurs du DOE Office of Science. Grâce à une technique nouvellement développée appelée microscopie stroboscopique à diffraction de Bragg, Holt et ses collègues ont pu imager le réseau autour des défauts à de nombreux points différents tout au long du cycle de déformation.

"Nous nous intéressons à la façon de manipuler l'état de spin d'origine avec des ondes acoustiques, et comment vous pouvez cartographier spatialement la mécanique de la déformation avec des rayons X, " a déclaré Joseph Heremans, scientifique des matériaux d'Argonne et scientifique du personnel PME, autre auteur de l'étude.

"Les rayons X mesurent exactement la distorsion du réseau, " Holt a ajouté.

La diffraction stroboscopique de Bragg consiste à synchroniser la fréquence de l'onde acoustique avec la fréquence des impulsions électroniques dans l'anneau de stockage de l'APS. De cette façon, les chercheurs ont essentiellement pu « figer la vague dans le temps, " selon Holt. Cela leur a permis de créer une série d'images de la tension subie par le réseau à chaque point de la vague.

"C'est comme si tu avais des ondulations dans un étang, et tu pourrais éclairer un endroit de l'étang, " Holt a dit. " Vous verriez un mouvement de pic à creux, et du creux au sommet."

"Nous imaginons directement l'empreinte du son traversant ce cristal, " Heremans ajouté. " Les ondes sonores font courber le réseau, et nous pouvons mesurer exactement à quel point le réseau se courbe en passant par un point spécifique du réseau à un moment précis."

L'utilisation de la diffraction stroboscopique de Bragg permet aux scientifiques de déterminer la corrélation directe entre la déformation dynamique et le comportement quantique du défaut, dit Holt. En carbure de silicium, cette relation est assez bien comprise, mais dans d'autres matériaux, la technique pourrait révéler des relations surprenantes entre la contrainte et d'autres propriétés.

"Cette technique nous permet de comprendre les comportements dans de nombreux systèmes dans lesquels nous n'avons pas une bonne prédiction analytique de ce que devrait être la relation, " dit Holt.

"Cette étude combine l'expertise d'une institution universitaire de premier plan avec l'instrumentation de pointe d'un laboratoire national pour développer une nouvelle technique de sondage de la matière à l'échelle atomique, révélant la capacité des ondes sonores à contrôler les technologies quantiques des semi-conducteurs, " a ajouté David Awschalom, scientifique principal d'Argonne et professeur de génie moléculaire de la famille PME Liew, un collaborateur à la recherche.

Un article basé sur l'étude, "Corréler la déformation dynamique et la photoluminescence des défauts à l'état solide avec la microscopie stroboscopique à diffraction des rayons X, " paru dans l'édition en ligne du 29 juillet de Communication Nature .