[論文レビュー] Optically-active spin defects in few-layer thick hexagonal boron nitride

Alrik Durand, T. Clua-Provost+12 more|PubMed|Apr 24, 2023

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 10

ひとこと要約

論文は few-layer hBN における V_B^- センターの光学的検出可能な電子スピン共鳴を実証し、零場分裂、光スピン偏極、および縦緩和が hBN の厚さに依存することを分析し、2D極限での修正と強化された光子効果を示す。

ABSTRACT

Optically active spin defects in hexagonal boron nitride (hBN) are promising quantum systems for the design of two-dimensional quantum sensing units offering optimal proximity to the sample being probed. In this Letter, we first demonstrate that the electron spin resonance frequencies of boron vacancy centers (V_{B}^{-}) can be detected optically in the limit of few-atomic-layer thick hBN flakes despite the nanoscale proximity of the crystal surface that often leads to a degradation of the stability of solid-state spin defects. We then analyze the variations of the electronic spin properties of V_{B}^{-} centers with the hBN thickness with a focus on (i) the zero-field splitting parameters, (ii) the optically induced spin polarization rate and (iii) the longitudinal spin relaxation time. This Letter provides important insights into the properties of V_{B}^{-} centers embedded in ultrathin hBN flakes, which are valuable for future developments of foil-based quantum sensing technologies.

研究の動機と目的

• V_B^- センターが原子層薄の hBN フレークでも光学的に検出可能なスピン共鳴を保持するかを調査する。
• 電子スピン特性（零場分裂およびひずみ-電場相互作用）が hBN の厚さとともにどのように変化するかを特徴づける。
• 光ポンピングがスピン偏極に与える影響を厚さの関数として測定する。
• 縦方向のスピン緩和時間 T1 がバルク様から数層 hBN へ、そして低温でどのように変化するかを決定する。

提案手法

• V_B^- センターを作出するために中性子照射済みの同位体純度の hBN を用いる。
• 薄片を得るために剥離し、厚さを変化させて SiO2/Si 基板上へ転写する。
• ゼロ磁場および適用磁場下での MW 励起による光学検出 ESR スペクトルを記録し、PL を読み取る。
• V_B^- 周囲の微視的電荷分布を用いて E-splitting を横方向電場によって説明する ESR のモデル化。
• 伝達行列アプローチを用いて厚さ依存の光学吸収を計算し、偏光率の変動を説明する。
• 層厚と温度を跨いだレーザーポンプ、ドラック、リードアウトのシーケンスで T1 を測定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄層 hBN の V_B^- センターは表面近傍にもかかわらず光学的に検出可能な ESR を示すか。
• RQ2 厚さが 2D 極限に近づくと軸方向(D)および横方向(E) の零場分裂はどう進化するか。
• RQ3 光学的に誘起されたスピン偏極率は厚さと光学吸収に依存してどう変わるか。
• RQ4 厚さの低下と温度によって縦方向のスピン緩和時間 T1 はどう影響を受けるか。

主な発見

• V_B^- センターの ESR 周波数は few-layer hBN で光学的に検出可能なまま継続し、D は不変で E は低減し、超薄片では単一共鳴を生み出す。
• 局所電場モデルは薄片で周囲の荷電が少ないことによって E-splitting が低下することを説明し、観測された ESR スペクトルと整合する。
• 厚さ依存の S_p によって、空気/ hBN 界面付近で吸収が増加するため few-layer hBN で光学的誘起スピン偏 polar 横が強化される。
• 室温で数層 hBN では T1 が約 1 μs へ低下するが、4 K ではミリ秒範囲へ増加し、低温で表面関連磁気ノイズの抑制と 2D におけるスピン-フォノン結合の変化の可能性を示唆する。