當承受應力和應變時，材料會表現出各種不同的特性。通過使用聲波，科學家已經開始探索晶體材料中的基本應力行為，該行為可能構成量子信息技術的基礎。這些技術涉及可以同時在多種狀態下編碼信息的材料，從而可以進行更有效的計算。

在美國能源部阿貢國家實驗室和芝加哥大學普利茲克分子工程學院(PME)的研究人員的一項新發現中，科學家們使用X射線觀察了聲波發射時碳化硅晶體的空間變化。應變掩蓋其中的缺陷。這項工作是根據最近的一項較早的研究進行的，在該研究中，研究人員觀察到當材料同樣受到應變時，缺陷電子的自旋態會發生變化。

由于這些缺陷在晶體中被很好地隔離，因此它們可以充當單個分子態并充當量子信息的載體。當陷在缺陷附近的電子在自旋狀態之間改變時，它們以光子的形式發射能量。根據電子所處的狀態，它們以一種稱為自旋相關讀數的技術發射更多或更少的光子。

在實驗中，研究人員試圖評估用于在晶格缺陷上產生應變的聲能與發射光子指示的自旋躍遷之間的關系。當晶體中的缺陷自然發熒光時，附加應變會導致電子的自旋改變狀態，從而導致對自旋狀態的相干操縱，可以通過光學方法對其進行測量。

“我們希望看到聲音應變和光響應之間的耦合，但是要確切了解它們之間的耦合，您需要既知道要施加多少應變，又要獲得更多的光學響應。研究的主要作者Argonne納米科學家Martin Holt說。

用于產生聲波的電極的寬度大約為5微米，遠大于缺陷本身，缺陷本身由兩個稱為原子空位絡合物的缺失原子組成。聲波通過交替推動和拉動缺陷而使缺陷應變，從而使電子改變自旋。

為了表征晶格和缺陷，Argonne研究人員使用了由美國能源部科學用戶設施辦公室的納米級材料中心和先進光子源(APS)共同操作的硬X射線納米探針束線。通過一種稱為頻閃布拉格光柵顯微鏡的新技術，Holt和他的同事們能夠在整個應變周期的許多不同點對缺陷周圍的晶格成像。

Argonne材料科學家和PME研究人員約瑟夫·赫里曼斯(Joseph Heremans)說：“我們對如何利用聲波操縱原始自旋狀態以及如何在空間上用X射線繪制應變的力學感興趣。”研究。

Holt補充說：“ X射線精確地測量了晶格畸變。”

頻閃布拉格衍射包括將聲波的頻率與APS儲存環中電子脈沖的頻率同步。霍爾特說，通過這種方式，研究人員基本上能夠“及時凍結”波浪。這樣一來，他們就可以創建一系列圖像，顯示出在波的每個點處晶格所經歷的應變。

霍爾特說：“這就好比在池塘中蕩漾著漣漪，并且可以照亮池塘的某個地方。” “您會看到峰到谷的運動，以及谷到峰的運動。”

Heremans補充說：“我們正在直接成像通過該晶體的聲音足跡。” “聲波使晶格彎曲，我們可以在特定的時間點通過晶格的特定點來準確測量出多少晶格彎曲。”

霍爾特說，通過頻閃布拉格布拉格衍射，科學家可以確定動態應變與缺陷的量子行為之間的直接關系。在碳化硅中，這種關系是很容易理解的，但是在其他材料中，該技術可以揭示出應變與其他特性之間令人驚訝的關系。

霍爾特說：“這項技術為我們提供了一種方法，可以弄清很多系統中的行為，而對于這些行為我們沒有很好的分析性預測。”

“這項研究結合了領先學術機構的專業知識和國家實驗室的先進儀器，開發了一種用于在原子尺度上探測物質的新技術，從而揭示了聲波控制半導體量子技術的能力。” Argonne高級科學家兼PME Liew分子工程家族教授David Awschalom，該研究的合作者。