Une stratégie de contrôle spin-acoustique des lacunes de silicium dans un résonateur acoustique en vrac basé sur le carbure de silicium 4H.

20 octobre 2023 caractéristique

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les résonateurs acoustiques en vrac - des structures matérielles empilées à l'intérieur desquelles les ondes acoustiques résonnent - peuvent être utilisés pour amplifier les sons ou filtrer les bruits indésirables. Ces résonateurs sont largement utilisés dans la télécommunication RF d'aujourd'hui, comme les modules de façade (FEM) des iPhones. Ils pourraient également être des composants précieux pour diverses applications scientifiques de pointe, notamment les technologies quantiques et les dispositifs d'imagerie. 

Malgré leur potentiel, mesurer précisément l'énergie acoustique stockée à l'intérieur de ces dispositifs au fil du temps s'est avéré jusqu'à présent difficile. Cela limitait leur utilisation pour la fabrication de filtres fiables et performants ainsi que de dispositifs de traitement du signal.

Des chercheurs de l'Université Harvard et de l'Université Purdue se sont récemment attaqués à ce défi existant dans le domaine, en introduisant une stratégie pour contrôler et lire les lacunes de silicium à l'intérieur d'un résonateur acoustique en vrac basé sur le carbure de silicium 4H (SiC). Leur stratégie proposée, exposée dans Nature Electronics, peut être utilisée pour régler les fréquences amplifiées ou absorbées par les défauts dans 4H SiC avec des résonateurs acoustiques en vrac.

« Notre recherche était motivée par l'étude de la dynamique mécanique d'un système classique avec un capteur quantique », a déclaré Jonathan R. Dietz, co-auteur de l'article, à Phys.org. « Notamment, nos laboratoires avaient déjà rassemblé des résonateurs capables de concentrer suffisamment d'énergie pour étudier cette interaction. »

L'étude récente de Dietz et de ses collègues s'appuie sur les travaux de recherche précédents des chercheurs. Dans leurs articles précédents, les chercheurs avaient présenté de nouveaux résonateurs acoustiques fabriqués à partir de 4H SiC, appelés résonateurs acoustiques en vrac à surtension latérale (LOBAR). De plus, ils ont démontré leur potentiel, en particulier en tant que résonateurs optiques haute qualité (Q).

« Pour réaliser le contrôle acoustique de spin des lacunes de silicium, nous avons sélectionné un dispositif pour des résonances de haute qualité et mesuré le couplage spin-acoustique avec un microscope confocal ODMR », a expliqué Dietz. « Enfin, nous avons utilisé la résonance de spin mesurée pour cartographier précisément les ondes acoustiques dans le dispositif LOBAR. »

Dans le cadre de leur étude, les chercheurs ont démontré le potentiel de leur stratégie proposée pour le contrôle acoustique du spin des lacunes de silicium dans les dispositifs LOBAR basés sur le 4H SiC. Dietz et ses collègues ont réalisé une analyse du spectre de fréquence lorsque le résonateur fonctionnait en mode Q élevé en utilisant une lecture optique. De plus, ils ont pu produire une visualisation du mode de résonance du dispositif en utilisant des outils d'imagerie 2D qui étudient l'interaction entre le résonateur et les défauts du matériau.

« Notre mesure est non invasive », a déclaré Boyang (Alex) Jiang, co-auteur de l'article. « De plus, étant donné que la fluorescence n'est liée qu'à la contrainte à laquelle elle est couplée, notre Q mesuré est le Q intrinsèque du SiC, sans nécessité de désenmboîter dans la mesure RF. »

La nouvelle approche introduite par cette équipe de chercheurs pourrait être utilisée pour effectuer des mesures précises à l'intérieur des dispositifs LOBAR dans des conditions ambiantes et sans interférer avec leur fonctionnement. À l'avenir, elle pourrait être utilisée pour caractériser les propriétés acoustiques de divers systèmes microélectromécaniques, tout en permettant un meilleur contrôle des dispositifs de mémoire quantique basés sur les défauts de spin qui utilisent les vibrations acoustiques comme ressource quantique.

« Notre étude montre qu'un défaut courant, facilement mesurable dans le carbure de silicium, est mécaniquement sensible et peut être contrôlé de manière robuste pour en faire un capteur non invasif de contrainte », a déclaré Dietz. « Dans nos prochaines études, nous prévoyons de réaliser l'imagerie 3D de la contrainte dans les dispositifs à base de SiC (carbure de silicium), comme l'IRM. Nous aimerions également utiliser la rétroaction entre le résonateur et les spins pour contrôler simultanément les deux systèmes. »

Informations sur la revue : Nature Electronics

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