比翱观察丨用声音捕捉旋转

旋转的声子：比翱声学近期发布两项全新声学技术和产品。超声波振动智能触感技术，能将任何材料与结构变成触敏界面，创造下一代集成触摸功能或压力传感器的新技术和产品；基于广义互相关（Generalized cross-correlation，GCC）麦克风声源定位算法开发的声学成像仪 - 蝴蝶的形态，大象的听觉，三星堆青铜人像的复古风格：绝对灵敏度、频率鉴别和声音定位。

 捕获的电子通常会吸收可见光谱中的光，因此透明材料在此类中心的存在下会变为有色，例如在钻石中。“色心通常伴随着某些磁性而来，使其成为量子技术应用的有前途的系统，如量子存储器、量子比特或量子传感器。这里的挑战是开发有效的方法来控制电子的磁性量子性质，或者，在这种情况下，控制电子的自旋状态。”德国亥姆霍兹德累斯顿罗森多夫研究中心（HZDR）离子束物理和材料研究所的Georgy Astakhov博士解释道。他的团队同事保罗·德鲁德研究所的Alberto Hernández-Mínguez博士进一步阐述了这一主题：“这通常通过施加电磁场来实现，但另一种方法是使用机械振动，如表面声波。这些声波局限于固体表面，类似于湖面上的水波。它们通常作为射频滤波器、振荡器和变压器集成在微芯片中，用于当前的电子设备，如手机、平板电脑和笔记本电脑。”
量子信息存储在色心中电子自旋的明确定义方向，如箭头所示。在表面声波的作用下，自旋改变了它的方向，从而改变了存储在色心中的量子信息。图片来源：HZDR/Blaurock
将旋转调整为表面的声音在他们的论文中，研究人员演示了利用表面声波在芯片上控制碳化硅（一种半导体）中的电子自旋，碳化硅将在许多需要大功率电子设备的应用中取代硅，例如在电动汽车中。圣彼得堡Ioffe物理技术研究所的Alexander Poshakinskiy博士称：“你可能会认为这种控制就像用常规电子调谐器调吉他一样。”“只是在我们的实验中，它有点复杂：磁场将电子自旋的共振频率调整为声波的频率，而激光诱导色心基态和激发态之间的转换。”这些光学跃迁起着基础性的作用：它们通过记录电子返回基态时发出的光量子来实现对自旋态的光学检测。由于晶格的周期性振动与色心中捕获的电子之间存在巨大的相互作用，科学家们实现了声波在基态和激发态下对电子自旋的同时控制。在这一点上，Hernández-Mínguez调用了另一个物理过程：进动。“任何小时候玩陀螺的人都会经历进动，因为在试图倾斜它时旋转轴的方向发生了变化。电子自旋也可以被想象成一个微型陀螺，在我们的例子中是一个在声波的影响下的进动轴，每次色心在基态和激发态之间跳跃时都会改变方向。现在，由于色心在激发态花费的时间是随机的，基态和激发态进动轴排列的巨大差异以不受控制的方式改变了电子自旋的方向。”这种变化使得储存在电子自旋中的量子信息在几次跳跃后丢失。在他们的工作中，研究人员展示了一种防止这种情况的方法：通过适当调整色心的共振频率，在基态和激发态中，自旋的进动轴变成了科学家们所说的共线：自旋即使在基态和激发态之间跳跃，也会沿着一个明确的方向保持进动方向。在这种特定条件下，储存在电子自旋中的量子信息与激光引起的基态和激发态之间的跃迁分离。这种声学操纵技术为在尺寸类似于当前微芯片的量子器件中处理量子信息提供了新的机会。这将对制造成本产生重大影响，并因此对大众提供量子技术产生重大影响。原文作者德国亥姆霍兹国家研究中心协会。更多信息可参考Alberto Hernández-Mínguez et al, Acoustically induced coherent spintrapping, Science Advances (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abj5030或通过阅读原文查看。
多孔材料与人工结构物理特性表征技术领先者

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