Tehnică cu raze X surprinde în timp real răspunsul materialelor cuantice la impulsurile laser
Cercetătorii de la Laboratorul Național Argonne al Departamentului pentru Energie din SUA au dezvoltat o nouă metodă de imagistică cu raze X care permite observarea în trei dimensiuni și în timp real a modului în care carbura de siliciu reacționează imediat după ce este lovită de un impuls laser ultrafast. Rezultatele, publicate în revista ACS Nano, oferă imagini în timp real ale modului în care energia laserului se propagă prin material, un pas important spre fabricarea dispozitivelor cuantice cu precizie atomică.
Crearea unui dispozitiv cuantic începe adesea prin deteriorarea intenționată a unui cristal. Oamenii de știință aplică un impuls laser ultrafast pe un material, deplasând atomii din pozițiile lor și lăsând în urmă mici imperfecțiuni numite vacanțe. Departe de a fi defecte, aceste vacanțe se pot comporta ca qubiți, unitățile fundamentale ale informației cuantice. Provocarea constă în precizie: cercetătorii vor să plaseze aceste defecte cuantice exact acolo unde au nevoie, dar până acum înțelegeau doar parțial ce se întâmplă în interiorul unui cristal în momentul în care laserul creează defectul.
Echipa de la Argonne a folosit Advanced Photon Source (APS), una dintre cele mai puternice surse de raze X din lume, pentru a dezvolta o tehnică ce combină un laser ultrafast cu un fascicul de raze X extrem de mic și de bine focalizat. Laserul declanșează procesul, în timp ce impulsurile de raze X, sincronizate cu precizie, acționează ca o cameră foto care înregistrează răspunsul cristalului de-a lungul timpului. Spre deosebire de lumina vizibilă, razele X dure pătrund adânc în material rămânând sensibile la pozițiile atomilor individuali, ceea ce le-a permis cercetătorilor să observe modificări structurale sub suprafață.
„Înainte de a putea ingineriza cu precizie defecte cuantice, trebuie să înțelegem exact ce face laserul în interiorul materialului”, a declarat Haidan Wen, om de știință la Argonne și autor al lucrării. „Această tehnică ne permite să urmărim cum se desfășoară acest proces, în special modul în care se mișcă atomii, într-un mod care nu era posibil înainte.”
Echipa a folosit Centrul pentru Materiale la Scară Nanometrică al Argonne pentru a interpreta modelele de difracție cu raze X și a măsura modificările carburii de siliciu. Cercetătorii au atins o rezoluție spațială deosebit de fină, focalizând fasciculul de raze X la sute de nanometri, de 100 de ori mai subțire decât lățimea unui fir de păr uman.
„Aceasta ne oferă o modalitate de a vedea nu doar ce se întâmplă la suprafață, ci și cum evoluează răspunsul adânc în interiorul cristalului”, a spus Stephan Hruszkewycz, om de știință la Argonne și coautor al lucrării. „Acea informație despre adâncime lipsea și este esențială pentru înțelegerea modului în care se formează defectele cuantice scrise cu laser.”
Măsurătorile au dezvăluit două moduri distincte prin care energia se propagă după impulsul laser. O parte a energiei se deplasează rapid prin cristal ca un val mecanic organizat, similar cu ondulațiile care se răspândesc pe o suprafață elastică lovită. În același timp, o parte a energiei se dispersează lent sub formă de căldură, determinând atomii din apropiere să vibreze aleatoriu înainte ca cristalul să revină treptat la echilibru.
Pentru prima dată, cercetătorii au putut să imagineze direct modul în care aceste procese diferite de transport al energiei evoluează atât la suprafață, cât și în adâncimea materialului. Capacitatea de a imagina propagarea energiei de la suprafața cristalului spre interior introduce un nivel de detaliu anterior inaccesibil.
Deși studiul s-a concentrat pe carbura de siliciu, cercetătorii spun că abordarea de imagistică poate fi adaptată la multe alte materiale utilizate în știința informației cuantice. Lucrarea evidențiază și capabilitățile unice disponibile la APS, unde optica avansată cu raze X, sistemele laser ultrafast și electronica de sincronizare precisă fac posibile astfel de experimente.
„Fiecare îmbunătățire a înțelegerii noastre ne aduce mai aproape de a ingineriza materiale cuantice în loc de a le descoperi prin încercări și erori”, a spus Hruszkewycz.
„Scopul nostru nu este doar să observăm aceste procese”, a adăugat Wen. „Este să învățăm suficient din ele pentru a putea construi în cele din urmă dispozitive cuantice cu nivelul de precizie pe care tehnologiile cuantice practice îl vor necesita.”
