Создание и исследование оптически активных спиновых структур в карбиде кремния и родственных полупроводниках как материальной платформы для спинтроники, наноразмерной сенсорики, квантовой обработки информации, разработки гибридных квантовых систем

Физика оптически активных спиновых структур атомарных размеров в широкозонных полупроводниках привлекла исключительное внимание в последнее десятилетие, поскольку она обеспечивает проявление фундаментальных квантовых явлений, известных из атомной физики, в твердотельной среде, которая имеет очевидные преимущества по сравнению с одиночными атомами, стабилизированными, например, в электромагнитных ловушках. Фундаментальная квантово-механическая природа спина делает его идеальным кандидатом для использования в качестве квантового бита, базовой единицы информации в архитектуре квантовых вычислений. Отдельные спины могут быть инициализированы, когерентно контролироваться и считываться с использованием различных оптических и электронных методов. Для определенных структур атомарных размеров электронные спиновые состояния изолированы от динамики кристаллической решетки, что приводит к увеличению времени квантовой когерентности, которое сохраняется вплоть до комнатной температуры. Благодаря большим временам спиновой когерентности при комнатных температурах такие структуры открывают пути для создания нового поколения квантовых устройств с возможностью управления спинами путем воздействия оптическими и микроволновыми полями в условиях окружающей среды. Эти центры являются важными строительными блоками для спинтроники, сенсорики и квантовых вычислений. Поиск новых спиновых систем, в которых возможно управление спиновыми состояниями квантовых ансамблей и одиночных квантовых объектов путем воздействия оптическими, электрическими и микроволновыми методами в непрерывном и импульсном режимах при комнатных температурах является одной из приоритетных задач. Общепризнано, что карбид кремния является одним из наиболее перспективных материалом для разработки технологий, которые стремятся интегрировать квантовые степени свободы в традиционные электронные и фотонные устройства. Используя преимущества квантовой природы электронных спинов, локализованных в местах дефектов, можно создать квантово-классические гибридные технологии, которые предлагают принципиально новые функциональные возможности, недоступные в современной оптоэлектронике.Экологическая чистота и биологическая совместимость карбида кремния может найти широкое применение для создания квантовых сенсоров субмикронных размеров для измерения магнитных, электрических, температурных полей, локальных напряжений в биофизических структурах, включая и живые системы. Важным преимуществом спиновых центров в карбиде кремния являются их оптические характеристики, лежащие в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне, совместимом с волоконной оптикой и окном прозрачности биологических объектов. Дополнительным преимуществом являются микроволновые характеристики, лежащие в мегагерцовом диапазоне, то есть совместимые с хорошо разработанной техникой ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и ЯМР томографии. Отличительной особенностью карбида кремния является коммерческая доступность материалов в виде пластин больших размеров и отработанная технология создания приборов на основе этого материала. Рассматриваемые спиновые структуры позволяют реализовать фантастический сценарий – создание твердотельного прибора атомарных размеров, работающего в условиях окружающей среды. Исключительные физические свойства карбида кремния дают возможность его использования в экстремальных условиях внешней среды: высоких температурах, высоких уровнях радиации, химически активных и агрессивных средах. Приборы и устройства на основе карбида кремния идеально подходят для работы в космическом пространстве, о чем свидетельствуют последние публикации NASA, где создаются сенсоры магнитного поля на основе спиновых центров, при этом используются эффекты, опубликованные ранее участниками проекта.На спиновых явлениях основан один из самых мощных аналитических методов, доступных сегодня для физиков, химиков, биологов– метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и его развитие в виде электронного спинового эха (ЭСЭ), двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР), оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) и электрически детектируемого магнитного резонанса (ЭДМР). Будет использовано и усовершенствовано в рамках проекта не имеющее зарубежных аналогов лабораторное оборудование, ранее разработанное участниками проекта: спектрометры ЭПР-ЭСЭ-ОДМР-ОДЦР высокочастотного диапазона, а также сканирующий спектрометр ОДМР на основе конфокального и зондового микроскопов, позволяющий исследовать малые объемы вещества в пределах сфокусированного лазерного луча, вплоть до регистрации одиночных квантовых объектов – спинов и фотонов. Эти исследования будут применены для локальной диагностики магнитных и электрических полей, температуры и создания сенсоров с микронным и субмикронным пространственным разрешением, работающих в условиях окружающей среды. Таким образом, спиновые центры окраски в карбиде кремния обеспечивают уникальную платформу для квантовых информационных технологий, создания аппаратного обеспечения принципиально новых систем, работающих в условиях окружающей среды, включая развитие Искусственного Интеллекта (Machine Learning).