Физики разработали вычислительный метод, который описывает полный цикл возбуждения и релаксации спиновых дефектов в алмазе и карбиде кремния. Модель учитывает внутреннюю конверсию — переход энергии возбуждённых электронов в колебания атомов. Результаты могут помочь точнее оценивать материалы для квантовых сенсоров и других квантовых технологий.
Спиновой дефект возникает из-за небольшого нарушения структуры кристалла. После воздействия лазера электронная энергия может преобразоваться в свет, изменить спиновое состояние или перейти в колебания окружающих атомов. Такие дефекты рассматриваются как устойчивые и считываемые кубиты — элементы хранения информации в квантовых системах.
Работу выполнили специалисты Чикагского университета, а её результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters. Ранее учёным удавалось описывать излучение света и переходы между состояниями с разным спином, однако расчёт потерь энергии через внутреннюю конверсию оставался сложной задачей. Новая модель позволила включить этот процесс в описание всего оптического цикла.
На примере дивакансии в карбиде кремния расчёты объяснили расхождение между теоретическими оценками и экспериментальными данными. Этот дефект образуется при отсутствии двух соседних атомов. Оказалось, что внутренняя конверсия заметно влияет на время жизни триплетного возбуждённого состояния, и после её учёта расчёты согласовались с экспериментом.
«Мы ожидали увидеть эффект, но предполагали, что он будет меньше. Оказалось, что процесс внутренней конверсии гораздо важнее, чем мы думали», — сказала Джулия Галли, профессор электронной структуры и моделирования имени семьи Лью в Чикагском университете и старший автор исследования. Для азотно-вакансионного центра в алмазе, где атом азота соседствует с отсутствующим атомом углерода, модель также совпала с результатами спектроскопии: при триплетных состояниях внутренняя конверсия почти не влияла на потери энергии, а для синглетных состояний становилась главным каналом.
Метод объединил несколько ранее разработанных подходов. Учёные описали возбуждённые состояния с помощью многочастичных волновых функций, учитывающих взаимодействие электронов, а затем рассчитали их связь с движением сотен окружающих атомов. Алгоритм внедрили в открытую программу WEST, оптимизированную для графических процессоров, однако расчёты по-прежнему требуют значительных ресурсов. Исследователи планируют повысить эффективность метода с помощью машинного обучения и распространить его на дефекты в кремнии, а также на материалы для преобразования и хранения энергии.