Alimlər kristalların daxilində gizlənən kvant sirrini açıqlayıblar

Alimlər almaz və silisium karbid kimi kristallarda yaranan mikroskopik qüsurların enerjini necə itirdiyini daha dəqiq proqnozlaşdırmağa imkan verən hesablama metodu hazırlayıblar. Yeni yanaşma kvant sensorlarının və digər kvant texnologiyalarının inkişafına töhfə verə bilər. Çikaqo Universitetinin Pritsker Molekulyar Mühəndislik Məktəbinin (UChicago PME) tədqiqatçıları kristallardakı spin qüsurlarının tam optik dövrünü modelləşdirən hesablama çərçivəsi yaradıblar. Physical Review Letters jurnalında dərc olunan araşdırma enerjinin atomların titrəyişləri vasitəsilə itirilməsini təsvir edən daxili çevrilmə prosesinin əvvəlki hesablamalarda nəzərdən qaçan rolunu üzə çıxarıb. 

Spin qüsurları kvant texnologiyalarında informasiyanı saxlayan kubitlər kimi istifadə oluna bilər. Onlar, xüsusilə, kvant sensorlarının hazırlanması baxımından perspektivli hesab edilir.

Atom titrəyişləri silisium karbidlə bağlı uyğunsuzluğu izah edib

Almaz və ya silisium karbid kristalındakı mikroskopik qüsura lazer şüası ilə enerji ötürüldükdə elektronlar həyəcanlanır. Lakin onlar əvvəlki, daha aşağı enerjili vəziyyətə qayıdarkən enerji həmişə işıq şəklində yayılmır. Enerji foton emissiyası ilə ayrıla, elektronların spin vəziyyətləri dəyişə və ya ətraf atomların titrəyişləri vasitəsilə itirilə bilər. Sonuncu proses — daxili çevrilmə — uzun müddət dəqiq modelləşdirilməsi çətin olan hadisələrdən biri sayılıb. Fiziklər kvant mexanikasının fundamental tənliklərindən istifadə etməklə işıq emissiyasını və müxtəlif spin vəziyyətləri arasındakı keçidləri təsvir edə bilsələr də, atom titrəyişləri nəticəsində enerji itkisini hesablamaq daha mürəkkəb olub.  Yeni hesablama metodu məhz bu boşluğu aradan qaldırmağa kömək edir.

Tədqiqatçılar silisium karbid kristalında iki qonşu atomun çatışmazlığı nəticəsində yaranan divakansiya qüsurunu araşdırıblar. Hesablamalar göstərib ki, daxili çevrilmə bu qüsurun üçlü həyəcanlanmış vəziyyətdə qalma müddətinə əvvəllər nəzərə alınandan daha ciddi təsir göstərir. Bu prosesin də hesablamalara daxil edilməsi nəzəri proqnozlarla eksperimental nəticələr arasındakı uyğunsuzluğu aradan qaldırıb. Nəticə həmin qüsurların kubit kimi istifadəsi üçün aparılan tədqiqatlara istiqamət verə bilər. Araşdırmanın baş müəllifi, Çikaqo Universitetinin Pritsker Molekulyar Mühəndislik Məktəbinin və Kimya Departamentinin professoru Culiya Qalli bildirib ki, tədqiqatçılar daxili çevrilmənin təsirini gözləsələr də, onun bu qədər böyük olacağını düşünməyiblər.  Alimlər almazda azot-vakansiya mərkəzini də araşdırıblar. Bu qüsur karbon atomunun yerində boşluq yaranması və onun qonşuluğunda azot atomunun yerləşməsi ilə əmələ gəlir.

Yeni metodun proqnozları son spektroskopik ölçmələrlə uyğunluq göstərib. Hesablamalara əsasən, üçlü spin vəziyyətlərində daxili çevrilmə enerji itkisinə az təsir etdiyi halda, sinqlet vəziyyətlərində əsas enerji itkisi mexanizminə çevrilir. Bu nəticələr əvvəlki elmi fərziyyələrlə də uzlaşır. Qallinin sözlərinə görə, tədqiqat spin qüsurlarının tam optik dövrünü izah etmək üçün çatışmayan mühüm həlqəni ortaya qoyub.

Daxili çevrilmənin hesablanmasında əsas çətinlik kvant mexanikasının qanunlarının məlum olmaması deyil, onların real materiallara tətbiq edilməsinin mürəkkəbliyidir.

Tədqiqatın ilk müəllifi, Çikaqo Universitetinin Pritsker Molekulyar Mühəndislik Məktəbinin doktorantura sonrası tədqiqatçısı Stefano Villaninin sözlərinə görə, bu prosesi dəqiq təsvir etmək üçün elektronlarla ətraf atomlar arasındakı mürəkkəb qarşılıqlı təsirləri nəzərə almaq lazımdır. Yüzlərlə və ya minlərlə atomdan ibarət real bərk cisimlərdə belə hesablamaları aparmaq xüsusilə çətindir.  Qalli və Villani bu işdə Nyu-Yorkdakı Flatiron İnstitutunda doktorantura sonrası tədqiqatçı kimi çalışan, əvvəllər Qallinin tədqiqat qrupunda fəaliyyət göstərmiş Yu Cinlə əməkdaşlıq ediblər.

Tədqiqatçılar əvvəllər qrup tərəfindən hazırlanmış bir neçə metodu birləşdiriblər. Qüsurların həyəcanlanmış vəziyyətlərini təsvir etmək üçün qarşılıqlı təsirdə olan elektronları nəzərə alan çoxhissəcikli dalğa funksiyalarından istifadə edilib. Daha sonra riyazi üsullarla hər bir həyəcanlanmış vəziyyətin atom hərəkətləri ilə qarşılıqlı təsirinin gücü hesablanıb. Yeni yanaşma yüzlərlə yaxın atomun bütün mümkün titrəyiş konfiqurasiyalarını nəzərə almağa imkan verir. Beləliklə, hər bir konfiqurasiyanı ayrıca hesablamaq zərurəti aradan qalxır və prosesin modelləşdirilməsi daha səmərəli olur.  Yu Cinin sözlərinə görə, əvvəllər bu cür hesablamalar üçün aydın riyazi əsaslandırma və səmərəli alqoritmlər mövcud deyildi. Yeni yanaşma spin qüsurlarının optik dövrünün uzun illər araşdırılması nəticəsində formalaşıb.

Tədqiqatçılar hazırladıqları metodu qrafik prosessorları (GPU) üçün optimallaşdırılmış, açıq mənbəli WEST simulyasiya proqramına inteqrasiya ediblər.  Qallinin qrupu bu proqramı son on il ərzində ABŞ Energetika Nazirliyinin Əsas Enerji Elmləri Ofisinin 2015-ci ildən maliyyələşdirdiyi Midwest İnteqrasiya olunmuş Hesablama Materialşünaslığı Mərkəzinin (MICCoM) çərçivəsində inkişaf etdirib.  Metodun artıq proqram təminatına daxil edilməsi digər laboratoriyalara da ondan istifadə etmək imkanı yaradır. Yu Cinin fikrincə, bu yanaşma kvant texnologiyaları üçün əhəmiyyət daşıyan bir çox materialın xüsusiyyətlərini daha dəqiq proqnozlaşdırmağa kömək edə bilər.

Qalli daxili çevrilmə prosesinin yalnız spin qüsurları üçün deyil, enerji texnologiyaları baxımından da əhəmiyyətli olduğunu vurğulayıb.

Bununla belə, yeni metodun mövcudluğu yüksək hesablama resurslarına ehtiyacı aradan qaldırmır. Tədqiqatçılar hesablamaların səmərəliliyini artırmaq üçün maşın öyrənməsi üsullarını həyəcanlanmış elektron vəziyyətlərinin modelləşdirilməsinə inteqrasiya etməyin yollarını araşdırırlar.

Komanda, həmçinin metodu silisiumdakı spin qüsurlarına və bərpa olunan enerjinin çevrilməsi və saxlanmasında istifadə olunan, daxili çevrilmənin mühüm rol oynadığı digər material siniflərinə tətbiq etməyi planlaşdırır.

Tədqiqatın nəticələri kristallardakı mikroskopik qüsurların davranışını daha dəqiq anlamaqla yanaşı, gələcək kvant və enerji texnologiyaları üçün yeni hesablama imkanları yaradır.

mənbə: scitechdaily.com