[논문 리뷰] Band-gap-engineered spin-phonon, and spin-spin interactions with defect centers in diamond coupled to phononic crystals

Fuli Li, Xiaoxiao Li외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 15.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 64인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 결함 중심에서 조절 가능하고 장거리 스핀-음향 및 스핀-스핀 상호작용을 가능하게 하는 밴드 갭 공학된 포논 크리스탈 플랫폼을 제안한다. 1D 포논 크리스탈의 밴드 갭 근처에 SiV 중심을 놓을 때, 결함 중심은 음향 모드를 국소적으로 유도하며, 이는 지수적으로 국소화된 에너지 분포를 가지게 되어 스핀-음향 결합을 강화하고, 국소화 길이에 의해 결정되는 지수적으로 감쇠되는 범위를 가진 먼 스핀 간의 위상 일관성 있는 조절 가능한 상호작용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We study a spin-phononic system where diamond defect centers are interfaced with a quasi-one-dimensional phononic crystal. We show that, a single defect center, coupled to the phonon modes of a phononic crystal waveguide near the band gap, can seed its own phononic cavity mode with an exponentially decaying envelope around the defect center's position. The spin-induced phononic cavity, with a greatly reduced and tunable mode volume, allows coherent phonon-mediated interactions between distant spins with a highly tunable range, enabling access to a variety of long-range interacting spin models. This work opens prospects for exploring quantum many-body physics and quantum information processing with defect centers and periodic phononic nanostructures.

연구 동기 및 목표

• 고체계에서 약하고 조절 불가능한 포논 매개 스핀-스핀 상호작용 문제를 해결하기 위해.
• 기존의 음향 웨이브가이드 또는 캐비티의 고정된 공간 범위를 극복하기 위해.
• 포논 크리스탈의 밴드 갭을 활용하여 결함 중심 스핀의 조절 가능한 상호작용 범위를 설계하기 위해.
• 주기적인 나노구조에서 포논 매개 가상 교환을 통해 위상 일관성 있는 장거리 스핀-스핀 결합을 실현하기 위해.
• 결함 중심과 포논 크리스탈을 사용한 양자 시뮬레이션 및 양자 정보 처리를 위한 확장 가능한 플랫폼을 구축하기 위해.

제안 방법

• 다이아몬드 내에서 주기적인 유전체 또는 구멍 구조를 가진 1차원 포논 크리스탈 웨이브가이드 모델링.
• Raman 전이를 통해 포논 크리스탈 모드에 결합된 구동된 Λ계 SiV 중심을 사용.
• 분산 영역에서 스핀-음향 결합을 위한 효과적 해밀토니안 유도, 이는 가상의 포논 교환으로 이어진다.
• 결함 중심에서 국소화된 포논 모드의 유한 상태에 대한 고유값 문제 해결, 지수 감쇠하는 에너지 분포를 도출.
• 2차 교정 이론을 통해 효과적 스핀-스핀 상호작용 해밀토니안 계산, 국소화 길이에 의해 결정되는 지수 감쇠 상호작용 결과.
• 상호작용 강도의 스케일링을 유도하기 위해 밴드 에지 근사 적용, ∝ e^{-|x₁−x₂|/L_c} 형태로 표현.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드의 결함 중심이 포논 크리스탈의 밴드 갭 내에서 국소화된 포논 캐비티 모드를 유도할 수 있는가?
• RQ2 포논 크리스탈의 밴드 갭이 스핀-스핀 상호작용의 조절 가능한 공간 범위를 어떻게 가능하게 하는가?
• RQ3 이러한 시스템에서 포논에 의해 매개되는 효과적 스핀-스핀 상호작용의 형태와 강도는 무엇인가?
• RQ4 밴드 갭과 모드 국소화를 통해 상호작용 범위를 공학적 설계로 조절할 수 있는가?
• RQ5 효과적 결합 강도와 국소화 길이가 스핀 상호작용의 위상 일관성과 범위를 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 밴드 갭 근처에 위치한 단일 결함 중심이 포논 크리스탈 웨이브가이드에 결합할 때, 국소화 길이 L_c로 특징지어지는 지수 감쇠하는 공간 분포를 가지는 국소화된 포논 캐비티 모드를 유도한다.
• 포논 모드의 유한 상태는 해석적으로 유도되었으며, 고유 에너지 Ω_b는 효과적 결합 강도 g_eff와 밴드 에지 주파수 ω_BE를 포함하는 자기 일관성 방정식을 만족한다.
• 포논 모드의 강한 국소화로 인해 효과적 모드 부피가 감소하여 스핀-음향 결합 강도가 향상된다.
• 효과적 스핀-스핀 상호작용 해밀토니안은 H_s-s ∝ e^{-|x₁−x₂|/L_c} σ_eg¹ σ_ge² + H.c. 형태를 가지며, 상호작용 강도는 ∝ g_c² / (2Δ_BE)로 스케일링되며, 여기서 Δ_BE는 밴드 에지에서의 떨어짐이다.
• 밴드 갭과 물성 매개변수를 통해 상호작용 범위를 조절 가능하여, 제어 가능한 감쇠 길이 L_c를 가진 장거리 위상 일관성 스핀-스핀 결합을 실현할 수 있다.
• 이 시스템은 지수 감쇠 상호작용을 가지는 일반적인 스핀 해밀토니안 클래스를 지원하며, 장거리 양자 스핀 자기계의 양자 시뮬레이션에 적합하다.