Kristalų defektai, duodantys naudos: FTMC mokslininkai prisidėjo prie tyrimo, atveriančio kelią naujoms kvantinėms technologijoms 

Galingesni kompiuteriai, saugesnis ryšys, jautresni jutikliai – nauja kvantinių technologijų banga artėja. O prie reikšmingų tyrimų prisideda ir Lietuvos mokslininkai. 

Fizinių ir technologijos mokslų centro (FTMC) Fundamentinių tyrimų skyriaus darbuotojai dr. Lukas Razinkovas ir dr. Vytautas Žalandauskas su tarptautine mokslininkų komanda atliko tyrimą, kurio rezultatai išspausdinti prestižiniame žurnale „Advanced Functional Materials“. 

Fizikai tyrinėja kristalų „kvantinius defektus“ – medžiagoje esančius, plika akimi nematomus, atominio dydžio netobulumus. Dėl ypatingų savybių šie defektai gali būti panaudoti pažangesnių prietaisų, tokių kaip kvantiniai kompiuteriai, kūrimui.

FTMC komanda, pasitelkdama galingus superkompiuterius, šioje srityje atlieka teorinius skaičiavimus – L. Razinkovas ir V. Žalandauskas sukūrė naujas metodikas, leidžiančias labai tiksliai numatyti tokių defektų optines savybes, o pats tyrimas įgyvendintas bendradarbiaujant su pasaulyje pirmaujančiu Makso Planko institutu.

Trūkumai, kurie duoda naudos

Kai galvojame apie kristalo vidų, dažniausiai įsivaizduojame jo atomus, išsidėsčiusius labai tvarkingomis ir periodiškomis eilėmis. Tai kartojasi per visą kristalą, todėl jis atrodo vienodas, nesvarbu, į kurią vietą bepažvelgtume. Tačiau realūs kristalai nebūna idealūs. Juose visada pasitaiko įvairių netobulumų: gali trūkti atomo, vieną atomą gali pakeisti kitas arba gali būti kitaip sutrikdyta taisyklinga struktūra. Tokius netobulumus ir vadiname defektais.

„Kasdienėje kalboje žodis „defektas“ dažniausiai reiškia kažką nepageidaujamo ar sugedusio. Tačiau kristalų fizikoje defektai gali būti būtent tai, kas suteikia medžiagai įdomiausių ir naudingiausių savybių. Kaip yra pasakęs medžiagų fizikas Colinas J. Humphreys: ‚Kristalai yra kaip žmonės – būtent jų trūkumai padaro juos įdomius!‘“, – sako dr. Lukas Razinkovas.

(Silicio karbido kristalo struktūra su silicio atomo trūkumo defektu. Diagramoje parodytos dvi vietos kristale, kuriose gali būti šis defektas. FTMC / „Advanced Functional Materials“ iliustracija)

Jis pasakoja, kad dėl tam tikrų savybių ne visi defektai yra vienodi. Vieni jų jau seniai naudojami puslaidininkių elektrinėms savybėms valdyti ir yra šiuolaikinės elektronikos pagrindas. Kiti, vadinamieji gilieji defektai, veikia tarsi gilios duobės, kuriose gali įstrigti elektros krūvį turinčios dalelės – krūvininkai. Palyginti neseniai paaiškėjo, kad kai kurie gilieji defektai pasižymi išskirtinėmis optinėmis ir kvantinėmis savybėmis.

Kas yra tos ypatingos savybės? Kai kurie gilieji defektai, dar vadinami spalviniais centrais, veikia tarsi mažos, atominių matmenų lemputės. Apšvietus juos lazeriu, jie sugeria energiją ir vėliau patys išspinduliuoja šviesą. Vienas defektas gali spinduliuoti po vieną šviesos dalelę – fotoną, o tai gali būti panaudota įvairioms kvantinės optikos ir saugaus kvantinio ryšio technologijoms.

Negana to, kai kurie defektai elgiasi tarsi mažyčiai kvantiniai magnetukai: jų būseną galima valdyti lazerio šviesa ar mikrobangomis ir labai tiksliai nuskaityti. Dėl šių savybių tokie defektai gali būti naudojami kaip itin maži ir jautrūs magnetinio lauko, temperatūros ar kitų fizikinių dydžių jutikliai, taip pat kaip kvantinės informacijos vienetai – kubitai. Būtent tokiomis savybėmis pasižymi Lietuvos mokslininkų darbe nagrinėjami defektai: jie veikia kaip pavienių fotonų šaltiniai ir kaip valdomos kvantinės sistemos.

„Viena populiariausių kietojo kūno medžiagų kvantinėms technologijoms yra deimantas. Jame vieną anglies atomą gali pakeisti azoto atomas, o šalia lieka tuščia vieta. Toks defektas vadinamas azoto-vakansijos (NV) centru. Tai yra vienas geriausiai ištirtų kvantinių defektų ir savotiškas etalonas šioje srityje. Jo būsenas galima tiksliai valdyti, o pritaikymo galimybės apima kvantinius jutiklius ir kvantinės informacijos technologijas. 

Tačiau čia yra ir trūkumų. Pagaminti itin švarų, kvantinėms technologijoms tinkamą deimantą yra sudėtinga ir brangu, o jo apdorojimo bei elektroninių prietaisų gamybos technologijos nėra taip gerai išvystytos kaip įprastų puslaidininkių. Todėl mokslininkai ieško kitų medžiagų, kurios turėtų tinkamų kvantinių defektų ir kartu būtų patogesnės praktinėms technologijoms kurti“, – pasakoja L. Razinkovas. 

(Dr. Lukas Razinkovas. Gabrieliaus Mackevičiaus / FTMC nuotr.)

Tyrinėja daug žadančius kristalus

Pasak mokslininkų, viena tokių alternatyvų deimantui tampa silicio karbidas – kristalas, sudarytas iš silicio ir anglies atomų. Ši medžiaga jau plačiai naudojama saulės energetikos galios elektronikoje, elektromobiliuose, ryšio įrangoje ir kitose srityse. 

„Su tarptautine mokslininkų komanda tiriame, kaip silicio karbide veikia kvantinėms technologijoms tinkami defektai. Tokiuose tyrimuose viena pusė yra eksperimentinė: fizikai naudoja lazerius, magnetus ir kitą įrangą, atlieka matavimus ir mato, kaip „elgiasi“ defektai. Tačiau vien stebėti neužtenka – reikia ir suprasti, kodėl jie „elgiasi“ būtent taip, ir atskleisti jų elgseną lemiančius dėsningumus. Čia svarbus tampa teorinis, arba fundamentinis, mokslas, kuriuo mes ir užsiimame. Derindami šiuolaikinius eksperimentinius bei teorinius metodus, atskleidėme dviejų svarbių defektų elektroninę struktūrą“, – sako dr. Vytautas Žalandauskas.

FTMC mokslininkai teoriškai nagrinėja, kokios elektroninės būsenos susidaro aplink kvantinį defektą ir kaip jos sąveikauja su kristalo virpesiais. Šios savybės lemia, kaip defektas sąveikauja su šviesa, kas su juo vyksta po sužadinimo ir kokiomis kvantinėmis savybėmis jis pasižymi.

„Iki šiol šių konkrečių defektų elektroninė struktūra nebuvo iki galo suprasta. O mums tai pavyko padaryti. 

Kai supranti, kas vyksta defekto viduje, gali ieškoti būdų, kaip pagerinti ar valdyti jo savybes. Be šių žinių tektų dirbti beveik aklai. Matavimai parodo rezultatą, bet ne visada paaiškina jo priežastį. Be to, ne visus procesus galima tiesiogiai išmatuoti. Kartais matomas efektas tėra kito, paslėpto proceso pasekmė. Todėl teoriniai tyrimai padeda atskleisti tai, ko eksperimentai vieni parodyti negali, ir suteikia pagrindą tolesniems tyrimams bei taikymams“, – teigia L. Razinkovas.

Lietuvių komanda – viena pasaulio lyderių

Šis darbas – sėkmingas skirtingų sričių ekspertų tarptautinio bendradarbiavimo pavyzdys. Pagrindinis straipsnio autorius yra dr. Ronaldas Ulbrichtas iš visame pasaulyje garsaus Makso Planko polimerų tyrimų instituto (angl. Max Planck Institute for Polymer Research, MPIP). Ši įstaiga priklauso Vokietijoje įsikūrusiai Makso Planko bendruomenei (angl. Max Planck Society) – prestižinei mokslo organizacijai, kuri išugdė dešimtis Nobelio premijos laureatų. MPIP yra vienas iš šios organizacijos fakultetų.

„Eksperimentuose buvo naudojama ultrasparčioji spektroskopija – metodas, kai tyrinėjami kristalai yra veikiami keliais lazerio impulsais, atskirtais itin trumpais laiko tarpais. Tai leidžia stebėti, kaip defekto sistemos būsenos keičiasi laike. R. Ulbrichtas yra vienas iš ultrasparčiosios spektroskopijos taikymo kristalų defektams tirti pionierių, o jo laboratorija yra viena iš nedaugelio pasaulyje pritaikytų tokiems tyrimams. 

Ronaldas atlikdavo ultrasparčiosios spektroskopijos matavimus ir mums pateikdavo eksperimentinius duomenis. Kartu su mokslininkais iš Vengrijos, Norvegijos ir Švedijos juos nagrinėjome ir kėlėme hipotezes apie stebimų rezultatų kilmę bei tikrinome jas teoriniais skaičiavimais.

Svarbu tai, kad teorinis darbas neapsiribojo vien eksperimentinių rezultatų interpretavimu. Iškeltos hipotezės bei skaičiavimų rezultatai buvo tikrinami naujais eksperimentiniai matavimais. Tokiu būdu teorija ir eksperimentas nuolat pildė vienas kitą ir galiausiai leido sudaryti labai aiškų fizikinį vaizdą.

Mes su Vytautu dirbame teorinės spektroskopijos srityje ir kuriame spektrų modeliavimo metodus, kurie, mano vertinimu, yra vieni tiksliausių pasaulyje defektų ir kietojo kūno sistemų tyrimuose. Šiame darbe mūsų skaičiavimų rezultatai nepaprastai tiksliai sutapo su eksperimentiniai duomenimis,“ – paaiškina L. Razinkovas, pridurdamas, kad pačius kristalus eksperimentams augino mokslininkai iš Japonijos.

(Dr. Vytautas Žalandauskas. Asmeninio archyvo nuotr.)

„Sujungę visų grupių rezultatus gavome labai aiškų ir, sakyčiau, nenuginčijamą vaizdą apie šių defektų elektroninę struktūrą.

Iki mūsų straipsnio buvo paskelbta nemažai darbų šia tema, tačiau dauguma jų buvo labiau teorinio samprotavimo lygio. Mūsų rezultatai pakeitė nemažai anksčiau vyravusių interpretacijų, nes šį kartą teorija buvo tiesiogiai lyginama su eksperimentu.

Ultrasparčiosios spektroskopijos eksperimentai leido pamatyti tai, ko įprastais metodais nepamatysi, o teoriniai modeliai padėjo šiuos rezultatus paaiškinti ir patvirtinti“, – sako V. Žalandauskas.

Parengė Simonas Bendžius