[論文レビュー] Coherent Manipulation with Resonant Excitation and Single Emitter Creation of Nitrogen Vacancy Centers in 4H Silicon Carbide

Zhao Mu, S. A. Zargaleh+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2020

Silicon Carbide Semiconductor Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、共鳴光励起を用いて4H炭化ケイ素（4H-SiC）中の窒素空位（NV）中心の整合的量子制御を実証し、ラビおよびラムゼー振動を達成した。さらに、イオンインプラントによる単一NV中心の作成と特性評価に成功し、長寿命のコherences時間とウェーパスケール統合の可能性を有する、スケーラブルな量子情報処理プラットフォームとしての4H-SiCの実現を示した。

ABSTRACT

Silicon carbide (SiC) has become a key player in realization of scalable quantum technologies due to its ability to host optically addressable spin qubits and wafer-size samples. Here, we have demonstrated optically detected magnetic resonance (ODMR) with resonant excitation, and clearly identified the ground state energy levels of the NV centers in 4H-SiC. Coherent manipulation of NV centers in SiC has been achieved with Rabi and Ramsey oscillations. Finally, we show the successful generation and characterization of single nitrogen vacancy (NV) center in SiC employing ion implantation. Our results are highlighting the key role of NV centers in SiC as a potential candidate for quantum information processing.

研究の動機と目的

• 共鳴光励起を用いて4H-SiC中のNV中心の整合的制御を達成すること。
• 光学的に検出された磁気共鳴（ODMR）を用いて4H-SiC中のNV中心の基底状態エネルギー準位を特定すること。
• イオンインプラントを用いて4H-SiC中の単一発光体としてのNV中心の創出を実証すること。
• 4H-SiCを、ウェーパスケール互換性を有するスケーラブルな量子情報処理プラットフォームとして確立すること。

提案手法

• 4H-SiC中のNV中心の光学コントラストを向上させ、高精度な状態準備を可能にするために共鳴励起が用いられた。
• 基底状態エネルギー準位の解明に、光学的に検出された磁気共鳴（ODMR）が用いられた。
• NVスピンキュービットの整合的制御を確認するために、ラビおよびラムゼー振動が測定された。
• 孤立したNV中心の創出のためにイオンインプラントが適用され、その後、光学的および磁気的特性評価が行われた。
• 実験装置により、高SNRの単一NV中心発光の検出が可能となった。
• 4H-SiC基板の使用により、ウェーパスケール統合と既存の半導体プロセス技術との互換性が達成された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴励起は、4H-SiC中のNV中心の高コントラスト光学検出と整合的制御を可能にするか？
• RQ2 4H-SiC中のNV中心の基底状態エネルギー準位は何か？ また、ODMRにより解明可能か？
• RQ3 イオンインプラントを用いて4H-SiC中に単一NV中心を生成・分離することは可能か？
• RQ4 4H-SiC中のNV中心でラビおよびラムゼー振動が観測可能か？ これによりスピンの整合的制御が確認できるか？
• RQ5 共鳴励起と単一発光体の創出の組み合わせは、4H-SiCにおけるスケーラブルな量子技術の実現を可能にするか？

主な発見

• 光学的に検出された磁気共鳴（ODMR）を用いて、4H-SiC中のNV中心の基底状態エネルギー準位が明確に同定された。
• ラビおよびラムゼー振動が成功裏に観測され、4H-SiC中のNVスピンキュービットの整合的制御が確認された。
• 共鳴励起により光学コントラストが顕著に向上し、高精度な状態準備および読み取りが可能になった。
• イオンインプラントを用いて4H-SiC中に単一NV中心が成功裏に作成され、特性評価が行われ、孤立した発光が確認された。
• 4H-SiC中のNV中心は、量子情報処理に適した長寿命のコherences時間を示した。
• 本結果により、4H-SiCに光学的にアドレス可能なスピンキュービットを統合し、スケーラブルな量子技術を実現可能であることが示された。