[論文レビュー] Spin coherence of near-surface ionised $^{125}$Te$^+$ donors in silicon

Mantas Šimėnas, James O’Sullivan+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、表面バンド曲げを用いてTe供与体をイオン化し、3.5 GHzのゼロ場クロック遷移を利用することで、自然シリコン中の近接表面に位置する125Te+供与体でミリ秒スケールのスピンコherenceを実証した。125Te+系は、クロック遷移におけるデコherenceの抑制と表面欠険への感受性の低減により、他の近接表面スピン系と比較して10倍以上長いT2 > 1 msを達成した。

ABSTRACT

Impurity spins in crystal matrices are promising components in quantum technologies, particularly if they can maintain their spin properties when close to surfaces and material interfaces. Here, we investigate an attractive candidate for microwave-domain applications, the spins of group-VI Impurity spins in crystal matrices are promising components in quantum technologies, particularly if they can maintain their spin properties when close to surfaces and material interfaces. Here, we investigate an attractive candidate for microwave-domain applications, the spins of group-VI $^{125}$Te$^+$ donors implanted into natural Si at depths as shallow as 20~nm. We show that surface band-bending can be used to ionise such near-surface Te to spin-active Te$^+$ state, and that optical illumination can be used further to control the Te donor charge state. We examine spin activation yield, spin linewidth, relaxation ($T_1$) and coherence times ( two) and show how a zero-field 3.5~GHz `clock transition' extends spin coherence times to over 1~ms, which is about an order of magnitude longer than other near-surface spin systems.

研究の動機と目的

• 量子技術に適した長寿命のスピンコherenceを示す近接表面スピン系の開発を目的とする。
• 表面欠陓に起因するスピンデコherenceの課題を克服し、表面に起因するデコherenceに対して感受性が低いスピン系の同定を目的とする。
• 表面バンド曲げと光学制御を用いて、20 nmの深さまで浅い位置にイオン化された125Te+供与体を実証することを目的とする。
• 125Te+のゼロ場クロック遷移を活用することで、自然シリコン中でミリ秒スケールのコherence時間を達成することを目的とする。
• 他の近接表面供与体と比較し、主なデコherence機構を同定することを目的とする

提案手法

• 10 Kでスピンコherence時間（T2）および緩和時間（T1）を測定するために、ループギャップ共振器を用いたパルス電子スピン共鳴（ESR）を用いた。
• フェルミ準位のピン留めによる表面バンド曲げを用いて、近接表面シリコン（20 nm深さ）における125Te供与体をスピン活性状態のTe+にイオン化した。
• 赤外光照射を適用して、浅いイオン化されたサンプルにおけるイオン化収率を向上させ、ホウ素共ドーピングを上回った。
• 制御されたマイクロ波場の向きを有するエコー検出ESR分光法を用いて、SzおよびSx遷移を測定した。
• CCE-2シミュレーションを用いてT2の角度依存性をモデル化し、核スピンのドーピュル相互作用の役割を評価した。
• 外部磁場の依存性を測定して、周波数の微分がゼロ（∂f/∂B0 = 0）となるゼロ場クロック遷移を同定し、T2の延長に果たす役割を確認した

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面バンド曲げを用いて、20 nmの深さに位置する125Te+供与体をスピン活性状態のTe+にイオン化できるか？
• RQ2 125Te+におけるゼロ場クロック遷移は、近接表面シリコンにおけるスピンコherence時間を顕著に延長するか？
• RQ3 光学照射は、ホウ素共ドーピングと比較して、浅い125Te+供与体のイオン化収率にどのような影響を及えるか？
• RQ4 近接表面に位置する125Te+供与体のT2を制限する主なデコherence機構は何か？また、クロック遷移においてその機構は抑制されるか？
• RQ5 外部磁場がシリコン結晶軸に対してどのような角度で配置されているかが、125Te+系のT2に与える影響は何か？

主な発見

• 20 nmの深さに位置する近接表面125Te+供与体は、スピンコherence時間（T2）が1 msを超えることが確認され、他の近接表面スピン系と比較して顕著に長い。
• 周波数微分がゼロ（∂f/∂B0 = 0）となる3.5 GHzのゼロ場クロック遷移が、T2 > 1 msを実現し、非一様な幅の拡大が抑制されることを確認した。
• 赤外光照射により、浅い125Te+供与体のイオン化分率がホウ素共ドーピングを上回り、スピン活性化収率が向上した。
• T2値は、外部磁場がシリコン結晶軸に対してどの方向を向いているかに強く依存しており、B0が[001]軸に沿っているときに最大のT2が観測された。
• 測定されたT2値は、即時の拡散（ID）や直接スピン反転（dFF）プロセスによって制限されていないことが示され、シミュレーションで予測される長寿命（例：約8 ms）よりも短いことから、他のメカニズムが支配的であることが示唆された。
• B0が[001]軸から傾いた場合、T2値が急激に低下し、異方性核スピンドーピュル相互作用に基づく理論予測と整合的であった。