在智能手机和Wi-Fi系统等设备中发现的声学谐振器会随着时间的推移而退化，没有简单的方法来监测这种退化。哈佛大学SEAS和普渡大学的研究人员现在已经开发出一种方法，利用碳化硅中的原子空位来测量这些谐振器的稳定性，甚至可以操纵量子态，这可能有利于加速计、陀螺仪、时钟和量子网络。

利用声波来控制原子空位可以提高通信技术，提供新的通信方式量子计算的控制机制。

声学谐振器无处不在。事实上，很有可能你现在手里就拿着一个。如今，大多数智能手机都使用体声谐振器作为射频滤波器，以滤除可能降低信号的噪声。这些滤波器也用于大多数Wi-Fi和GPS系统。

声学谐振器比电子谐振器更稳定，但它们会随着时间的推移而退化。目前还没有简单的方法来主动监测和分析这些广泛使用的器件的材料质量退化。

现在，哈佛大学John a . Paulson工程与应用科学学院(SEAS)的研究人员与普渡大学OxideMEMS实验室的研究人员合作开发了一种系统，该系统利用碳化硅中的原子空位来测量声学谐振器的稳定性和质量。更重要的是，这些空位也可以用于声学控制的量子信息处理，提供了一种新的方法来操纵嵌入在这种常用材料中的量子态。

“碳化硅是量子报告器和声学谐振器探针的宿主，是一种易于获得的商用半导体，可以在室温下使用，”该论文的资深作者、塔尔-科因应用物理和电气工程教授、李彦宏和梅利莎·马的艺术与科学教授Evelyn Hu说。“作为一种声学谐振器探针，这种碳化硅技术可用于监测加速度计、陀螺仪和时钟的使用寿命，并且在量子方案中，具有混合量子存储器和量子网络的潜力。”

这项研究发表在《自然电子》杂志上。

声学谐振器内部

碳化硅是包括体声谐振器在内的微机电系统(MEMS)的常用材料。

普渡大学埃尔莫尔家庭电气与计算机工程学院教授、该论文的合著者苏尼尔·巴韦(Sunil Bhave)说:“特别是晶圆级可制造碳化硅谐振器，在质量因素方面具有一流的性能。”“但晶体生长缺陷，如位错和晶界，以及谐振器制造缺陷，如粗糙度、系绳应力和微尺度陨石坑，都可能导致MEMS谐振器内部的应力集中区域。”

今天，唯一能在不破坏声学谐振器的情况下观察其内部情况的方法是使用超强且非常昂贵的x射线，比如阿贡国家实验室的广谱x射线束。

一个压电层(绿色)夹在两个电极(黄色)之间，顶部是一个碳化硅声学谐振器(蓝色)。由电极和压电层产生的声波对晶格施加机械张力，使缺陷(红色)的自旋翻转。用聚焦在谐振器背面的激光读出自旋。资料来源:Hu Group/Harvard SEAS

SEAS的研究生、该论文的共同第一作者乔纳森·迪茨(Jonathan Dietz)说:“这些类型的昂贵且难以使用的机器无法在铸造厂或实际制造或部署这些设备的地方进行测量或表征。”“我们的动机是尝试开发一种方法，使我们能够监测体声谐振器内部的声能，这样你就可以将这些结果反馈到设计和制造过程中。”

碳化硅通常具有自然发生的缺陷，其中原子从晶格中移除，产生空间局部电子状态，其自旋可以通过材料应变与声波相互作用，例如由声学谐振器产生的应变。

当声波穿过材料时，它们会在晶格上施加机械张力，从而扭转缺陷的自旋。自旋态的变化可以通过激光照射材料来观察，看看有多少缺陷在扰动它们后是“开”或“关”的。

SEAS的研究生、该论文的合著者亚伦·戴(Aaron Day)说:“光有多暗或多亮，表明了缺陷所在的当地环境中的声能有多强。”“因为这些缺陷是单个原子的大小，它们给你的信息是非常局部的，因此，你实际上可以用这种非破坏性的方式绘制出设备内部的声波。”

该地图可以指出系统可能在何处以及如何降级或不能最佳运行。

声控

碳化硅中同样的缺陷也可以成为量子系统中的量子位。

今天，许多量子技术都建立在自旋的相干性上:自旋在特定状态下能保持多长时间。这种相干性通常由磁场控制。

但通过他们的技术，胡和她的团队证明了他们可以通过声波机械地变形材料来控制自旋，获得与使用交变磁场的其他方法相似的控制质量。

胡教授说:“利用材料的自然力学特性——它的应变——扩大了我们对材料的控制范围。”“当我们变形材料时，我们发现我们也可以控制自旋的相干性，我们可以通过在材料中发射声波来获得这些信息。它为材料的内在特性提供了一个重要的新方法，我们可以用它来控制嵌入在该材料中的量子态。”

参考文献:“4H碳化硅中硅空位的自旋声控制”，作者:Jonathan R. Dietz, Boyang Jiang, Aaron M. Day, Sunil A. Bhave和Evelyn L. Hu, 2023年9月21日，Nature Electronics。DOI: 10.1038 / s41928 - 023 - 01029 - 4

该研究由蒋伯阳共同撰写。该研究由美国国家科学基金会资助，基金编号为RaiSE-TAQS Award 1839164，基金编号为DMR-1231319。