Akoestische resonanties in apparaten zoals smartphones en Wi-Fi-systemen nemen in de loop van de tijd af, maar er is geen gemakkelijke manier om deze achteruitgang te monitoren. Onderzoekers van Harvard SEAS en Purdue University hebben nu een methode ontwikkeld om atomaire vacatures in siliciumcarbide te gebruiken om de stabiliteit van deze resonatoren te meten en zelfs kwantumtoestanden te manipuleren, wat mogelijk toekomstige ontwikkelingen in versnellingsmeters, gyroscopen, klokken en kwantumnetwerken ten goede komt.
Het gebruik van geluidsgolven om atomaire vacatures te controleren zou de communicatietechnologie kunnen verbeteren en nieuwe controlemechanismen voor kwantumcomputers kunnen bieden.
Akoestische resonantie is overal. De kans is zelfs groot dat u er momenteel een in uw handen heeft. De meeste smartphones gebruiken tegenwoordig akoestische bulkresonatoren als RF-filters om ruis weg te filteren die de signaalkwaliteit kan verslechteren. Deze filters worden ook gebruikt in de meeste Wi-Fi- en GPS-systemen.
Akoestische resonatoren zijn stabieler dan elektronische resonatoren, maar kunnen na verloop van tijd ook verslechteren. Er is momenteel geen gemakkelijke manier om de verslechtering van de materiaalkwaliteit in deze veelgebruikte apparaten proactief te monitoren en te analyseren.
Nu hebben onderzoekers van de John Paulson School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) van Harvard, in samenwerking met onderzoekers van het OxideMEMS Laboratory van Purdue University, een systeem ontwikkeld dat atomaire vacatures in siliciumcarbide gebruikt om de stabiliteit en kwaliteit van akoestische resonanties te meten. Bovendien kunnen deze vacatures ook worden gebruikt voor geluidgestuurde verwerking van kwantuminformatie, waardoor een nieuwe manier wordt geboden om kwantumtoestanden te manipuleren die zijn ingebed in dit veelgebruikte materiaal.
"Siliciumcarbide, dat zowel kwantumreporters als akoestische resonantiesondes herbergt, is een kant-en-klare commerciële halfgeleider die bij kamertemperatuur kan worden gebruikt", zegt Evelyn Hu, senior auteur van het artikel en Tal-Coyne hoogleraar bij de afdelingen Toegepaste Natuurkunde en Elektrotechniek en de Robin Li en Weihua Ma hoogleraar aan het College of Arts and Sciences. "Als akoestische resonantiesonde zou deze technologie in siliciumcarbide kunnen worden gebruikt om de prestaties van versnellingsmeters, gyroscopen en klokken gedurende hun levensduur te monitoren, en in kwantumscenario's zou deze mogelijk kunnen worden gebruikt in hybride kwantumgeheugens en kwantumnetwerken."
Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Electronics.
Siliciumcarbide is een veelgebruikt materiaal in micro-elektromechanische systemen (MEMS), inclusief akoestische bulkresonatoren. "Met name van op wafelschaal vervaardigde siliciumcarbideresonatoren is bekend dat ze de beste prestaties in hun klasse hebben", zegt co-auteur Sunil Bhave, professor aan de Elmore Family School of Electrical and Computer Engineering aan de Purdue University. "Defecten in de kristalgroei, zoals dislocaties en korrelgrenzen, en fabricagefouten in de resonator, zoals ruwheid, systeemspanningen en putten op microschaal, kunnen echter gebieden met spanningsconcentratie creëren binnen MEMS-resonatoren."
Tegenwoordig is de enige manier om in een akoestische resonator te kijken zonder deze te vernietigen het gebruik van ultrakrachtige en zeer dure röntgenstralen, zoals de breedspectrum röntgenstraal van het Argonne National Laboratory.
"Dit soort dure en ontoegankelijke machines kunnen niet worden gemeten of gekarakteriseerd in een gieterij of waar deze apparaten daadwerkelijk worden vervaardigd of ingezet", zegt Jonathan Dietz, een SEAS-afgestudeerde student en co-eerste auteur van het artikel. "Onze motivatie was om te proberen een methode te ontwikkelen waarmee we de akoestische energie in een akoestische bulkresonator konden monitoren, zodat je die resultaten terug kon koppelen aan het ontwerp- en productieproces."
Siliciumcarbide heeft vaak natuurlijke defecten waarbij een atoom uit het kristalrooster wordt verwijderd, waardoor een ruimtelijk gelokaliseerde elektronische toestand ontstaat waarvan de spin kan interageren met akoestische golven door materiaalspanning, zoals die geproduceerd door akoestische resonatoren.
Wanneer geluidsgolven door het materiaal gaan, creëren ze mechanische spanningen in het kristalrooster, waardoor de spins van de defecten omdraaien. Veranderingen in de spintoestand kunnen worden waargenomen door een laser op het materiaal te laten schijnen om te zien hoeveel defecten "openen" of "sluiten" nadat ze zijn verstoord.
"Hoe donker of helder het licht is, geeft aan hoe sterk de akoestische energie is in de lokale omgeving waar het defect zich bevindt", zegt Aaron Day, een afgestudeerde student bij SEAS en co-auteur van het artikel. "Omdat deze defecten slechts de grootte hebben van een enkel atoom, is de informatie die ze opleveren zeer gelokaliseerd, zodat je de akoestische golven in het apparaat op deze niet-destructieve manier daadwerkelijk in kaart kunt brengen."
De kaart kan aangeven waar en hoe het systeem mogelijk verslechtert of niet optimaal functioneert. Deze defecten in siliciumcarbide kunnen ook qubits worden in kwantumsystemen. Tegenwoordig zijn veel kwantumtechnologieën gebaseerd op spin-coherentie: hoe lang een spin in een specifieke toestand blijft. Deze coherentie wordt doorgaans gecontroleerd door magnetische velden.
Maar Hu en haar team gebruikten hun techniek om aan te tonen dat ze de spins konden controleren door het materiaal mechanisch te vervormen met geluidsgolven, waardoor een vergelijkbare kwaliteit van controle werd bereikt als bij andere methoden die gebruik maken van wisselende magnetische velden.
"Door gebruik te maken van de natuurlijke mechanische eigenschappen van een materiaal - spanning - wordt de reikwijdte van onze materiaalcontrole vergroot", zei Hu. "Toen we het materiaal vervormden, ontdekten we dat we ook de samenhang van de spins kunnen controleren, en we kunnen deze informatie verkrijgen door simpelweg geluidsgolven door het materiaal te sturen. Dit geeft ons een belangrijk nieuw hulpmiddel voor intrinsieke materiaaleigenschappen dat we kunnen gebruiken om de kwantumtoestanden te controleren die in het materiaal zijn ingebed. "