[論文レビュー] Coherent spin dynamics of hyperfine-coupled vanadium impurities in silicon carbide

Joop Hendriks, Carmem M. Gilardoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、4H-SiC中のハイパーファイン結合を示すバナジウム欠陥の整合的スピンダイナミクスを調査し、7.2 μsに達する位相崩壊時間（T2*）と26 μsを超えるハーンスピンエコーのコher-エンス寿命を実証した。隣接する29Si核スピンと強い結合を示しても、中心のバナジウムスピンは長寿命のコher-エンスを維持するため、スケーラブルなプラットフォームにおける頑丈な量子レジスタとしての可能性が示された。

ABSTRACT

Progress with quantum technology has for a large part been realized with the nitrogen-vacancy centre in diamond. Part of its properties, however, are nonideal and this drives research into other spin-active crystal defects. Several of these come with much stronger energy scales for spin-orbit and hyperfine coupling, but how this affects their spin coherence is little explored. Vanadium in silicon carbide is such a system, with technological interest for its optical emission at a telecom wavelength and compatibility with semiconductor industry. Here we show coherent spin dynamics of an ensemble of vanadium defects around a clock-transition, studied while isolated from, or coupled to neighbouring nuclear spins. We find spin dephasing times up to 7.2 $μ$s, and via spin-echo studies coherence lifetimes that go well beyond tens of microseconds. We demonstrate operation points where strong coupling to neighbouring nuclear spins does not compromise the coherence of the central vanadium spin, which identifies how these can be applied as a coherent spin register. Our findings are relevant for understanding a wide class of defects with similar energy scales and crystal symmetries, that are currently explored in diamond, silicon carbide, and hexagonal boron nitride.

研究の動機と目的

• 異なる核スピン環境下における4H-SiC中のバナジウム欠陥の整合的スピンダイナミクスを調査すること。
• 隣接する29Si核スピンとのハイパーファイン結合がスピンの位相崩壊およびコher-エンス時間に与える影響を特定すること。
• 強い核スピン相互作用が存在する状況でも、スピンエコー技術がコher-エンスをどのように維持できるかを評価すること。
• 強いハイパーファイン結合が中心スピンのコher-エンスを損なわない運転点（例えばクロック遷移）を同定すること。
• バナジウム欠陥が、スケーラブルで常温適合性を持つ量子技術のプラットフォームとして実現可能かどうかを評価すること。

提案手法

• 2 Kで光学的磁気共鳴（ODMR）を用いてスピン状態をプローブし、サブエンsemblesを明確に分離するための可変波長の光学的プローブを適用した。
• 2つのマイクロ波パルスを可変遅延で印加することで、位相崩壊時間（T2*）を抽出するためのラーマー干渉測定を実施した。
• 不均一な幅とハイパーファイン相互作用による位相崩壊を再フォーカスするため、ハーンスピンエコー系列を適用してコher-エンス時間（T2）を測定した。
• 25 dBmのマイクロ波駆動を用いてラビ振動とラーマー縞を励起し、信号の変調を解析することでコher-エンス特性を抽出した。
• サブエンsemblesの区別は光学波長によって行われた：1278.76 nmは近接する29Si核スピンを有する欠陥（DT I/II）をプローブし、1278.86 nmはそれらを有さない欠陥（DT 0）をターゲットとした。
• 実験データの妥当性を検証するため、ハイパーファイン分裂と不均一な幅を考慮した5つのガウス線形の合成でODMRスペクトルをシミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 隣接する29Si核スピンとのハイパーファイン結合が、4H-SiC中のバナジウム欠陥の位相崩壊時間（T2*）に与える影響は何か？
• RQ2 強いハイパーファイン結合が存在する中でも、ハーンスピンエコー系列はコher-エンスを維持できるか？その結果得られるT2寿命はどの程度か？
• RQ3 光学的プローブ波長が、異なる核スピン配置（DT 0、DT I、DT II）を有するサブエンsemblesにどのように選択的にアクセスできるか？
• RQ4 強いハイパーファイン結合が中心スピンのコher-エンスを損なわない運転点（例えばクロック遷移）は存在するか？
• RQ5 この欠陥系のように磁場に異方的結合を示す系において、ダイナミカルデカップリングシーケンスはどの程度有効に機能するか？

主な発見

• 4H-SiC中のバナジウム欠陥で観測された最長の位相崩壊時間（T2*）は7.2 μsであり、クロック遷移付近の磁場30 mTで測定された。
• ハーンスピンエコー測定では、全自由進化時間26 μsまでエコー振幅の減衰が観測されず、コher-エンス時間（T2）がT2*のおよそ10倍以上に達する可能性があることが示された。
• 1278.76 nmでの光学的プローブにより、1つまたは2つの隣接29Si核スピンとの中のハイパーファイン結合に起因するサイドピークがODMRスペクトルに観測され、DT IおよびDT IIサブエンsemblesの存在が確認された。
• 1278.86 nmでのプローブではサイドピーク信号が抑制され、近接する29Siスピンを有さないDT 0サブエンsemblesへの選択的アクセスが確認された。
• 26 μsにわたってエコーの減衰が観測されないことは、強いハイパーファイン結合が必ずしもコher-エンスを劣化させないことを示しており、頑丈な量子操作が可能であることを裏付けた。
• 結果として、適切な対称性とエネルギースケールの一致のおかげで、環境中の核スピンと結合していても、SiC中のバナジウム欠陥がコher-エンススピンレジスタとして機能可能であることが示された。