[論文レビュー] Enhanced stability of defect-based qubits in quantum wells

Viktor Ivády, Joel Davidsson+6 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、炭化ケイ素におけるスタッキングフォールトが形成する量子井戸が、発光6中心（PL6中心）— 二重空孔欠陥 — の電荷状態を安定化させることを示している。これにより、高温でも頑健な光学サイクルが可能となり、高精度なスピン初期化および読み出しも実現される。この欠陥の強化された安定性は、電子が量子井戸に閉じ込められることに起因し、スケーラブルな量子技術における色中心の電荷状態不安定性に対する材料ベースの解決策を提供する。

ABSTRACT

Optically addressable paramagnetic point defects in semiconductors are among the most promising systems for quantum-information technologies. However, the fidelities of spin initialization and readout rely on optical cycling, and charge-state instabilities during this cycle have proven to be an important unresolved problem. In this work, we demonstrate that the quantum well of an extended defect can stabilize the charge state of a point defect. In particular, we establish that the PL6 center in silicon carbide is a divacancy within a stacking fault, and that the quantum well deriving from this stacking fault stabilizes the defect's charge state, leading to its extraordinary performance at elevated temperatures and unusual robustness to optical cycling. The generalization of our results provides a material-based solution to the optical instability of color centers in semiconductors that may facilitate the development of a new class of robust single-photon sources and spin qubits.

研究の動機と目的

• 半導体における光学的にアドレス可能な色中心の電荷状態不安定性という重要な課題に取り組む。
• 4H-SiCにおけるPL6中心の顕著な熱的および光学的安定性の起源を解明する。
• 量子井戸工学を用いて点欠陥の電荷状態を安定化する一般的な設計原則を確立する。
• 欠陥工学を通じて、高温でも高精度なスピン初期化および読み出しを実現する。

提案手法

• 4H-SiCにおけるスターッキングフォールト内に位置するPL6中心が二重空孔欠陥であることを同定する。
• 温度および励起条件を変化させた状態で、欠陥の光学的および電子的性質を調べるために、光励起分光法を用いる。
• スターッキングフォールトが形成する量子井戸における電子の閉じ込めを含め、電子構造および電荷状態の安定性の理論的モデリングを行う。
• 繰り返しサイクルにおける光学サイクル性能の分析を通じて、スピン初期化および読み出しの安定性と忠実度を評価する。
• 量子井戸構造の有無に応じた欠陥の電荷状態ダイナミクスを比較し、その安定化効果を分離して分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 4H-SiCにおけるPL6中心の原子的構造は何か？ また、孤立した点欠陥とはどのように異なるか？
• RQ2 スターッキングフォールトおよび関連する量子井戸の存在が、欠陥の電荷状態安定性にどのように影響するか？
• RQ3 量子井戸が、欠陥の光学サイクル忠実度および熱的耐性をどの程度向上させるか？
• RQ4 この量子井戸効果は、他の半導体における色中心の安定化に一般化可能か？

主な発見

• PL6中心は、4H-SiCにおけるスターッキングフォールト内に埋め込まれた二重空孔欠陥であると同定された。
• スターッキングフォールトが形成する量子井戸が電子を閉じ込め、欠陥の電荷状態をフラクチュエートから安定化させる。
• 欠陥は、通常の性能限界を超えて、高温でも頑健な光学サイクルおよび高精度なスピン初期化・読み出しを示した。
• 量子井戸構造は、それ以外の状態では色中心の性能を制限する電荷状態不安定性を抑制した。
• このメカニズムは、半導体における安定的で光学的にアドレス可能な量子ビットを設計するための一般化可能な設計原則を提供する。