КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 19-72-00154

НазваниеИсследование спиновых свойств вакансионных спиновых центров окраски со спином 3/2 в переходном слое SiC/AlN.

РуководительАнисимов Андрей Николаевич, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г Санкт-Петербург

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2019 - 06.2021 

Конкурс№40 - Конкурс 2019 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-204 - Нано- и микроструктуры

Ключевые словакарбид кремния, нитрид алюминия, спиновые центры окраски, магнитный резонанс, ОДМР, ЭПР, квантовые сенсоры, кудит, квантовый компьютер

Код ГРНТИ29.03.37

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Квантовые вычисления являются одними из самых далеко идущих и сложных квантовых технологий. На основе квантовых битов, которые могут быть равны нулю и единице одновременно, квантовый компьютер действует как массивное параллельное устройство с экспоненциально большим числом вычислений, происходящих одновременно. Уже существует множество алгоритмов, которые используют эту мощь, и это позволит нам решать проблемы, которые никогда не решат даже самые мощные классические суперкомпьютеры. За последние два десятилетия были продемонстрированы квантовые компьютеры с использованием разных платформ. Самые продвинутые из них основаны на захваченных ионах и сверхпроводящих схемах, где небольшие прототипы для до 10-15 квантовых бит уже выполняют базовые алгоритмы и протоколы. В связи с этим многие IT-компании уже выбрали и квантовые системы, на которых ведут своих усилия в области исследований и разработок. Но будущая их практическая реализация требует перехода от большинства используемых сегодня квантовых систем, поскольку они либо не работают в условиях окружающей среды, либо не совместимы с существующими технологиями микроэлектроники. В виду этого перспективным становиться направить свои исследования на изучение квантовых свойств квантовых систем способных стать элементной базой квантовых кубитов (или кудитов), способных работать при комнатных температурах. Одним из таких объектов является вакансия кремния в карбиде кремния со спином 3/2. Она обладает уникальным свойством, которое позволяет его применять в качестве элементной базы для квантовых компьютеров будущего - длительное время когерентности спиновых состояний при комнатной температуре. Этот параметр напрямую связан с изотопным окружением, а именно с ядерными магнитными моментами окружающих вакансию ядер. С другой стороны изменение кристаллической структуры должно сильно повлиять на изменение спиновых свойств вакансии кремния. В данном проекте предполагается провести исследования направленные как на изучения влияния переходного слоя SiC/AlN на спиновые свойства кремниевых вакансий, так и влияние изотопного окружения на них. Результаты данного исследования позволят не только детально изучить влияние окружения вакансионных центров на их спиновые свойства, но и в последующем применить их для оптимизации квантовых вычислениях, которое позволит создать системы обработки больших объемов данных, а также ускорить машинное обучение искусственного интеллекта.

Ожидаемые результаты
Результаты данного исследования позволят не только детально изучить влияние окружения вакансионных центров на их спиновые свойства, но и в последующем применить их для оптимизации квантовых вычислениях, которое позволит создать системы обработки больших объемов данных, а также ускорить машинное обучение искусственного интеллекта. Результаты исследования направленные на изучения переходного слоя SiC/AlN позволят получить информацию о структуре и напряжениях в переходном слое. Это позволит оптимизировать рост двух широкозонных полупроводников для дальнейшего применения их в электронике. Результаты исследований центров окраски атомарных размеров в переходном слое AlN/SiC методами магнитно-оптической резонансной спектроскопии (ОДМР) позволит произвести оценку влияния напряжений возникающих в переходном слое на спиновые свойства кремниевой вакансии в SiC, что может оказаться значимым при создании квантовой логики. Результаты исследований влияние сверхтонкого взаимодействия ядер Si29 на спиновые свойства спиновых центров в карбиде кремния методами магнитно-резонансной спектроскопии (ЭПР, ОДМР, ДЭЯР) позволят выбрать наиболее подходящий изотопный состав для дальнейшего создания массива квантовых кудитов на базе вакансий кремния.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Исследования, которые были выполнены в рамках первого года реализации данного проекта, позволили понять влияние механической деформации на спиновые свойства спиновых центров в карбиде кремния политипа 6H со спином 3/2. Был проведен детальный анализ влияния статической механической деформации на спиновую систему, которые привили к сдвигу положения линии ОДМР вакансионных спиновых центров в карбиде кремнии. Механические напряжения наблюдались на границе между нитридом алюминия и карбидом кремния. Были проведены оценки экспериментально полученных данных величины и характера деформации. Изучены времена декогеренции спиновых центров в кристаллах с повышенным содержанием изотопа 13C и пониженным содержанием изотопа 29Si. Значение времени зависит от дипольных колебаний ядерных спинов, связанных со спином электрона через сверхтонкое взаимодействие. Поэтому более высокий процент изотопа 13C уменьшает время когерентности. Для применения данных центров в качестве кудитов необходимо увеличить время согласованности. Предлагается продолжить исследования такого рода эффектов в других политипах и изучить, какое влияние оказывает деформация на время спиновой когерентности. При этом в рамках проекта уже измерены времена для спиновых центров в недеформированном карбиде кремния. Исследования факторов, влияющих на время декогерентности спинов в карбиде кремния, позволят найти правильный подход для изготовления твердотельных квантовых чипов работающих при комнатной температуре на основе хорошо технологически масштабируемой платформе карбида кремния.

 

Публикации

1. Сингх Х., Анисимов А.Н., Нагалюк С.С., Мохов Е.Н., Баранов П.Г., Зутер Д. Experimental characterization of spin- 3 2 2 silicon vacancy centers in 6H-SiC PHYSICAL REVIEW B, - (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.101.134110

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Исследования, которые были выполнены в рамках второго года реализации данного проекта, позволили связать механическую деформацию и спиновые свойства вакансионных центров (V-центров) в карбиде кремния политипа 6H и 4H со спином 3/2. Был проведен анализ причин возникновения статической механической деформации на границе AlN/SiC. Были проведены оценки величины и характера деформации. Изучено влияние относительных толщин гетероструктур. Были созданы пространственно локализованные спиновые центры. Проведенное исследование факторов, влияющих на декогерентность спинов, что позволит отработать технологию роста гетероструктур, перспективных в квантовой фотонике и информатике.

 

Публикации

1. И. Д. Бреев, А. В. Пошакинский, В. В. Яковлева, С. С. Нагалюк, Е. Н. Мохов, Р. Хюбнер, Г. В. Астахов, П. Г. Баранов, А. Н. Анисимов Stress-controlled zero-field spin splitting in silicon carbide Applied Physics Letters, Appl. Phys. Lett. 118, 084003 (2021) (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1063/5.0040936

2. И.Д. Бреев, К. В. Лихачев, В. В. Яковлева, Р. Хюбнер, Г. В. Астахов, П. Г. Баранов, Е. Н. Мохов, А. Н. Анисимов Stress distribution at the AlN/SiC heterointerface probed by Raman spectroscopy Journal of Applied Physics, 129, 055304 (2021) (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1063/5.0029682

3. - Деформация кристаллической решетки карбида кремния поможет расширить спектр его применения Научная Россия, - (год публикации - )

4. - Деформация кристаллической решетки карбида кремния поможет расширить спектр его применений technovery.com, - (год публикации - )

5. - Деформация кристаллической решетки карбида кремния расширила спектр его применений газета.ru, - (год публикации - )

6. - Деформация кристаллической решетки карбида кремния расширила спектр его применений Россия Новости, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
не указано