Cộng hưởng âm thanh trong các thiết bị như điện thoại thông minh và hệ thống Wi-Fi suy giảm theo thời gian nhưng không có cách nào dễ dàng để theo dõi sự suy giảm này. Các nhà nghiên cứu từ Harvard SEAS và Đại học Purdue hiện đã phát triển một phương pháp sử dụng các chỗ trống nguyên tử trong cacbua silic để đo độ ổn định của các bộ cộng hưởng này và thậm chí điều khiển các trạng thái lượng tử, có khả năng mang lại lợi ích cho sự phát triển trong tương lai của gia tốc kế, con quay hồi chuyển, đồng hồ và mạng lượng tử.
Sử dụng sóng âm thanh để kiểm soát các chỗ trống nguyên tử có thể nâng cao công nghệ truyền thông và cung cấp các cơ chế điều khiển mới cho điện toán lượng tử.
Sự cộng hưởng âm thanh ở khắp mọi nơi. Trên thực tế, rất có thể bạn đang cầm một chiếc trên tay ngay bây giờ. Hầu hết điện thoại thông minh ngày nay đều sử dụng bộ cộng hưởng âm thanh số lượng lớn làm bộ lọc RF để lọc nhiễu có thể làm giảm chất lượng tín hiệu. Những bộ lọc này cũng được sử dụng trong hầu hết các hệ thống Wi-Fi và GPS.
Bộ cộng hưởng âm thanh ổn định hơn bộ cộng hưởng điện tử nhưng cũng có thể suy giảm theo thời gian. Hiện tại không có cách nào dễ dàng để chủ động theo dõi và phân tích sự suy giảm chất lượng vật liệu trong các thiết bị được sử dụng rộng rãi này.
Giờ đây, các nhà nghiên cứu tại Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng John Paulson (SEAS) thuộc Đại học Harvard, phối hợp với các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm OxideMEMS của Đại học Purdue, đã phát triển một hệ thống sử dụng các chỗ trống nguyên tử trong cacbua silic để đo độ ổn định và chất lượng của cộng hưởng âm thanh. Hơn nữa, những chỗ trống này còn có thể được sử dụng để xử lý thông tin lượng tử được điều khiển bằng âm thanh, cung cấp một phương pháp mới để điều khiển các trạng thái lượng tử được nhúng trong vật liệu thường được sử dụng này.
"Silicon cacbua, chứa cả máy phóng lượng tử và đầu dò cộng hưởng âm thanh, là một chất bán dẫn thương mại sẵn có có thể sử dụng ở nhiệt độ phòng", Evelyn Hu, tác giả chính của bài báo và Giáo sư Tal-Coyne tại Khoa Vật lý Ứng dụng và Kỹ thuật Điện, đồng thời là Giáo sư Robin Li và Weihua Ma tại Trường Cao đẳng Khoa học và Nghệ thuật, cho biết. “Là một đầu dò cộng hưởng âm thanh, công nghệ silicon cacbua này có thể được sử dụng để theo dõi hiệu suất của gia tốc kế, con quay hồi chuyển và đồng hồ trong suốt vòng đời của chúng, và trong các kịch bản lượng tử có thể được sử dụng trong các bộ nhớ lượng tử lai và mạng lượng tử.”
Nghiên cứu được công bố trên tạp chí Nature Electronics.
Silicon cacbua là vật liệu phổ biến cho các hệ thống vi cơ điện tử (MEMS), bao gồm cả bộ cộng hưởng âm thanh số lượng lớn. Đồng tác giả Sunil Bhave, giáo sư tại Trường Kỹ thuật Điện và Máy tính Gia đình Elmore tại Đại học Purdue, cho biết: “Người ta biết rõ rằng các bộ cộng hưởng cacbua silic có thể chế tạo ở quy mô wafer, đặc biệt, có hiệu suất tốt nhất trong lớp”. "Tuy nhiên, các khiếm khuyết trong quá trình tăng trưởng tinh thể (như sai lệch và ranh giới hạt) và các khiếm khuyết trong quá trình sản xuất bộ cộng hưởng (như độ nhám, ứng suất hệ thống và các lỗ vi mô) có thể tạo ra các vùng tập trung ứng suất bên trong bộ cộng hưởng MEMS." chùm tia X phổ rộng.
"Những loại máy móc đắt tiền và khó tiếp cận này không thể được đo lường hoặc mô tả đặc tính trong xưởng đúc hoặc nơi những thiết bị này thực sự được sản xuất hoặc triển khai", Jonathan Dietz, một sinh viên tốt nghiệp SEAS và đồng tác giả đầu tiên của bài báo cho biết. "Động lực của chúng tôi là cố gắng phát triển một phương pháp cho phép chúng tôi theo dõi năng lượng âm thanh bên trong bộ cộng hưởng âm thanh số lượng lớn để bạn có thể đưa những kết quả đó trở lại quá trình thiết kế và sản xuất."
Cacbua silic thường có các khiếm khuyết tự nhiên trong đó một nguyên tử bị loại bỏ khỏi mạng tinh thể, tạo ra trạng thái điện tử định vị trong không gian mà spin của nó có thể tương tác với sóng âm thông qua biến dạng vật liệu, chẳng hạn như trạng thái được tạo ra bởi các bộ cộng hưởng âm.
Khi sóng âm truyền qua vật liệu, chúng tạo ra biến dạng cơ học trong mạng tinh thể, làm cho các spin của khuyết tật bị lật. Những thay đổi trong trạng thái quay có thể được quan sát bằng cách chiếu tia laser vào vật liệu để xem có bao nhiêu khuyết tật “mở” hoặc “đóng” sau khi bị nhiễu loạn.
"Ánh sáng tối hay sáng cho thấy năng lượng âm thanh trong môi trường địa phương nơi có khuyết tật mạnh đến mức nào", Aaron Day, một nghiên cứu sinh tại SEAS và đồng tác giả của bài báo cho biết. “Bởi vì những khiếm khuyết này chỉ có kích thước bằng một nguyên tử duy nhất nên thông tin chúng cung cấp rất cục bộ, vì vậy bạn thực sự có thể lập bản đồ sóng âm bên trong thiết bị theo cách không phá hủy này”.
Bản đồ có thể cho biết vị trí và cách thức hệ thống có thể xuống cấp hoặc không hoạt động tối ưu. Những khiếm khuyết này trong cacbua silic cũng có thể trở thành qubit trong các hệ lượng tử. Ngày nay, nhiều công nghệ lượng tử dựa trên sự kết hợp spin: một spin tồn tại trong một trạng thái cụ thể trong bao lâu. Sự kết hợp này thường được điều khiển bởi từ trường.
Nhưng bằng kỹ thuật của mình, Hu và nhóm của cô đã chứng tỏ rằng họ có thể điều khiển các spin bằng cách làm biến dạng cơ học vật liệu bằng sóng âm, đạt được chất lượng điều khiển tương tự như các phương pháp khác sử dụng từ trường xen kẽ.
Hu cho biết: "Việc tận dụng các đặc tính cơ học tự nhiên của vật liệu - biến dạng - mở rộng phạm vi kiểm soát vật liệu của chúng tôi. Khi làm biến dạng vật liệu, chúng tôi nhận thấy rằng chúng tôi cũng có thể kiểm soát sự kết hợp của các spin và chúng tôi có thể thu được thông tin này chỉ bằng cách gửi sóng âm thanh qua vật liệu, mang lại cho chúng tôi một công cụ mới quan trọng để kiểm soát các trạng thái lượng tử được nhúng trong vật liệu."