[論文レビュー] Vanadium in Silicon Carbide: Telecom-ready spin centres with long relaxation lifetimes and hyperfine-resolved optical transitions

T. Astner, P. Koller+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2022

Semiconductor materials and devices被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、4H-および6H-炭化ケイ素化物におけるバナジウム欠陥が、長寿命のスピン緩和時間（100 mKで最大25 s、1.3 Kで約1 s）を示す通信帯対応のスピン中心として機能することを示している。2光子磁気分光法を用いることで、高いスピンコントラスト（90%以上）とハイパーフィン構造分解能を持つ光学遷移が達成され、長距離量子通信およびスピン光インターフェースの高性能プラットフォームとしてのバナジウム-炭化ケイ素の可能性が示された。

ABSTRACT

Vanadium in silicon carbide (SiC) is emerging as an important candidate system for quantum technology due to its optical transitions in the telecom wavelength range. However, several key characteristics of this defect family including their spin relaxation lifetime (T1), charge state dynamics, and level structure are not fully understood. In this work, we determine the T1 of an ensemble of vanadium defects, demonstrating that it can be greatly enhanced at low temperature. We observe a large spin contrast exceeding 90% and long spin-relaxation times of up to 25s at 100mK, and of order 1s at 1.3K. These measurements are complemented by a characterization of the ensemble charge state dynamics. The stable electron spin furthermore enables high-resolution characterization of the systems' hyperfine level structure via two-photon magneto-spectroscopy. The acquired insights point towards high-performance spin-photon interfaces based on vanadium in SiC.

研究の動機と目的

• 低温下における4H-および6H-炭化ケイ素内のバナジウム欠陥のスピン緩和ダイナミクスを調査すること。
• 量子技術への応用を想定し、SiC中のV⁴⁺中心の電荷状態ダイナミクスおよび光学的性質を特徴付けること。
• 2光子磁気分光法を用いてスピン状態のハイパーフィン構造を解明すること。
• バナジウム中心が量子メモリ、センシング、および長距離量子通信に適しているかどうかを評価すること。
• スピン緩和および電荷状態安定性の観点から、4H-および6H多型の性能を比較すること。

提案手法

• 100 mKから3 Kの温度範囲で、4H-および6H-炭化ケイ素中のV⁴⁺アンサンブルを用いて、すべての光的分光法およびスピン緩和測定を実施した。
• 1.3 µm近傍の光学遷移をプローブするため、可変波長の赤外および緑色レーザーを用いた共鳴光励起分光法（PL）を実施した。
• 基底状態GS1から励起状態ES1への連続波励起を用いて、電荷状態ダイナミクスを調査するためのホールバーニング実験を実施した。
• 2本のレーザー光ビームを用いた2光子磁気分光法を適用し、ハイパーフィン分裂を解明し、g因子を決定した。
• c軸に沿って最大0.49 Tの磁場を印けるために超伝導ソレノイドを用いた。
• 磁場依存のPL信号およびスピン枯渇を解析し、スピン緩和時間（T₁）およびハイパーフィンパラメータを抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 mKおよび1.3 Kにおける4H-および6H-炭化ケイ素内のバナジウム欠陥のスピン緩和寿命（T₁）はどの程度か？
• RQ2 光学励起下における4H-および6H-炭化ケイ素多型間での電荷状態ダイナミクスの違いは何か？
• RQ3 2光子分光法を用いることで、バナジウム中心でハイパーフィン分解能を持つ光学遷移を観測できるか？
• RQ4 レーザー誘発スペクトル拡散が、光学遷移の線幅およびコherー二ティに与える影響は何か？
• RQ5 2つの多型間でのスピンコントラストおよび初期化忠実度は、どのように比較できるか？

主な発見

• 100 mKで最大25 s、1.3 Kで約1 sのスピン緩和寿命が達成され、量子メモリに適した長いコherー二ティを示している。
• 100 mKでスピンコントラストが90%を超えることから、電子スピン状態の高忠実度初期化および読み出しの実現が示された。
• 2光子磁気分光法により、ハイパーフィン分裂がAₓₓ = 75(4) MHzおよびA_zz = -213(4) MHzとして解明され、正確なスピン状態特徴付けが可能になった。
• 4H-炭化ケイ素ではホールバーニングが観測され、100 mKで数時間にわたって安定したスペクトルホールが維持された。これは、長寿命な電荷状態制御が可能であることを示している。
• 6H-炭化ケイ素ではホールバーニングが観測されず、スピン緩和が単一指数関数的減衰に従わないことから、4H-炭化ケイ素とは異なる電荷ダイナミクスを示していることが示唆された。
• 2光子分光法においても、狭い光学的特徴が観測された。これは、レーザー誘発スペクトル拡散による非一様な幅拡散が存在するものの、高忠実度の量子操作が可能である可能性を示している。