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Un modello di UChicago rivela una perdita di energia finora trascurata nei difetti del carburo di silicio
Un gruppo della University of Chicago ha sviluppato un metodo computazionale per modellare la conversione interna nei difetti di spin otticamente attivi. Applicandolo a una divacanza nel carburo di silicio, ha individuato un contributo fino
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Il 14 ottobre, un articolo pubblicato su Physical Review Letters ha descritto un metodo computazionale che rivela una via finora trascurata attraverso cui l’energia può lasciare un difetto di spin nel carburo di silicio. I ricercatori della University of Chicago hanno scoperto che la conversione interna — nella quale l’energia elettronica si trasforma in vibrazioni atomiche anziché in luce — contribuisce in misura significativa al tempo di vita dello stato eccitato di tripletto di una divacanza nel carburo di silicio (SiC).
Come il modello segue l’energia fino alle vibrazioni
Quando la luce eccita un difetto di spin, questo può tornare a uno stato di energia inferiore emettendo un fotone, passando tra stati con spin diversi oppure trasferendo energia alle vibrazioni degli atomi circostanti. I ricercatori riescono a modellare più facilmente le prime due vie; prevedere la conversione interna è stato difficile perché il calcolo deve descrivere sia stati elettronici eccitati complessi sia le loro interazioni con il moto degli atomi.
Il gruppo — Stefano Paolo Villani, Yu Jin e Giulia Galli — ha combinato funzioni d’onda a molti corpi nell’ambito della teoria del funzionale della densità dipendente dal tempo con calcoli analitici degli accoppiamenti non adiabatici. Il metodo include i contributi di tutti i modi fononici, anziché ridurre l’interazione del difetto con l’ambiente circostante a un insieme più ristretto di moti vibrazionali. L’articolo afferma: «Il nostro approccio risolve le discrepanze con gli esperimenti, raggiungendo un accordo quantitativo per il centro NV− nel diamante e individuando un canale non radiativo finora trascurato nel tempo di vita del tripletto della divacanza nel SiC». Stefano Paolo Villani, Yu Jin e Giulia Galli, autori di «First-Principles Calculations of Internal Conversion Processes in Spin Defects».
Il diamante ha fornito un test; il SiC ha cambiato il quadro
I ricercatori hanno applicato il metodo dapprima al centro azoto-vacanza nel diamante, confrontando le previsioni con recenti misure spettroscopiche. Secondo i loro calcoli, la conversione interna ha un ruolo limitato nella perdita di energia dagli stati di tripletto, ma domina negli stati di singoletto: risultati coerenti con le ipotesi precedenti descritte dal gruppo.
Per una divacanza nel SiC, il modello ha rilevato che la conversione interna contribuisce in misura significativa al tempo di vita dello stato eccitato di tripletto. Secondo il resoconto della University of Chicago, il risultato affronta una discrepanza tra le previsioni precedenti e gli esperimenti. Giulia Galli ha detto che il gruppo si aspettava un effetto, ma «di entità minore»; il contributo calcolato è risultato più grande del previsto.
La scoperta riguarda la dinamica degli stati eccitati ottici del difetto. Non dimostra che il metodo abbia allungato il tempo di coerenza dello spin di un qubit o migliorato le prestazioni dei gate. Aggiunge invece una via di cui i ricercatori devono tenere conto quando interpretano la risposta di questi difetti alla luce e ne valutano l’impiego in applicazioni come il rilevamento quantistico.
WEST rende disponibili i calcoli, ma a un costo
Il gruppo ha implementato il metodo in WEST, un codice di simulazione open source ottimizzato per le unità di elaborazione grafica. Il codice è disponibile per altri gruppi di ricerca, anche se Galli ha avvertito che i calcoli richiedono notevoli risorse computazionali. È un costo rilevante per chi spera di applicare il metodo a sistemi più grandi o più diversificati.
Villani ha detto a UChicago che il gruppo sta lavorando per integrare il machine learning nei calcoli degli stati eccitati, così da migliorarne l’efficienza. I ricercatori stanno inoltre estendendo il metodo ai difetti di spin nel silicio e ai materiali usati per la conversione e l’accumulo di energia. Si tratta di sviluppi previsti, non di risultati accertati dal calcolo sul SiC.
L’articolo, pubblicato su Physical Review Letters nel volume 137 come articolo 163603, presenta un metodo per calcolare la conversione interna e lo applica a difetti nel diamante e nel carburo di silicio. Il risultato relativo al SiC inserisce la perdita di energia dovuta alle vibrazioni atomiche nel bilancio del tempo di vita dello stato eccitato di tripletto della divacanza.