[논문 리뷰] Coherent control of an ultrabright single spin in hexagonal boron nitride at room temperature

Nai‐Jie Guo, Li, Song외 17명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 12.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 초박화된 붕소 질화물(hBN)에서 실온에서 높은 광방출을 보이는 단일 스핀 결함에 대한 실온에서의 공진 조절을 입증한다. 특수 제작된 마이크로파 파동도자 배열과 전자선 리소그래피를 사용하여 저자들은 85%의 확률로 결함을 분리하였으며, 실온에서 강한 라비 진동과 하인 에코 신호를 관측하여 고정밀도 스핀 조절과 긴 공명 시간을 나타내었으며, 이는 탄소-산소 공도핑 복합체일 가능성이 높다.

ABSTRACT

Hexagonal boron nitride (hBN) is a remarkable two-dimensional (2D) material that hosts solid-state spins and has great potential to be used in quantum information applications, including quantum networks. However, in this application, both the optical and spin properties are crucial for single spins but have not yet been discovered simultaneously for hBN spins. Here, we realize an efficient method for arraying and isolating the single defects of hBN and use this method to discover a new spin defect with a high probability of 85%. This single defect exhibits outstanding optical properties and an optically controllable spin, as indicated by the observed significant Rabi oscillation and Hahn echo experiments at room temperature. First principles calculations indicate that complexes of carbon and oxygen dopants may be the origin of the single spin defects. This provides a possibility for further addressing spins that can be optically controlled.

연구 동기 및 목표

• 실온에서 강한 광방출과 공진 스핀 조절이 가능한 hBN 내 단일 스핀 결함을 식별하고 분리하는 것.
• 이전에 알려진 hBN 결함들 중 V_B^− 와 같은 결함들의 낮은 양자 효율성 문제로 인해 단일 결함 탐지가 제한되는 문제를 해결하는 것.
• 금속 필름 마이크로파 파동도자와 전자선 리소그래피를 이용한 단일 hBN 결함의 위치 지정 및 분리 방법의 스케일러블한 개발.
• 2차원 물질 내 실온에서의 단일 스핀 양자 조절 플랫폼을 구축하여 양자정보 기술에 응용하는 것.
• ab initio 계산을 통해 새로운 결함의 원자적 기원을 규명하고, 광학적 성질과 스핀 성질을 특정 도핑 구조와 연관짓는 것.

제안 방법

• 전자선 증착과 NMP 보조 리프팅을 사용하여 SiO2/Si 기판 위에 100-nm 두께의 금속 필름 마이크로파 파동도자를 제작.
• 100-keV 전자선 리소그래피를 통해 PMMA 리소그래피에 520-nm 지름의 원형 구멍을 패턴화하여 결함 위치 지정 영역을 정의.
• 초순수 물에 hBN 나노분말(99.0% 순도, 약 70 nm)을 분산시켜 드롭 캐스팅을 통해 파동도자 배열 위에 고립된 hBN 플레이크를 형성.
• 520-nm 레이저 조사로 광학적 성질을 측정하였으며, 광자 통계를 위한 g^(2)(τ)와 선형 편광도를 측정하여 편광 이방성도를 분석.
• g^(2)(τ) 데이터를 삼준자 모델로 피팅: g^(2)(τ) = 1 - (1+a)e^(-|τ|/τ₁) + ae^(-|τ|/τ₂), 여기서 τ₁ ≈ 2.5 ns (복사성) 및 τ₂ ≈ 600 ns (비복사성).
• VASP를 사용한 ab initio DFT 계산을 수행하였으며, HSE06 함수, PBE-GGA 및 DFT-D3 분산 보정을 적용하여 결함 구조와 스핀-핵자기상호작용을 모델링.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 hBN 내 단일 스핀 결함이 실온에서 높은 밝기로 광학적으로 조작 가능하고 분리될 수 있는가?
• RQ2 관측된 높은 광학적 밝기와 긴 스핀 공명 시간의 기원은 무엇인가?
• RQ3 실온 조건에서 단일 hBN 결함에서 공진 스핀 조절(Rabi 진동, Hahn 에코)이 가능할 수 있는가?
• RQ4 결함의 광학적 및 스핀 행동이 탄소-산소 공도핑 복합체와 같은 특정 원자 구조와 일치하는가?
• RQ5 광학적 및 마이크로파 조절이 가능한 단일 hBN 스핀을 위한 스케일러블하고 통합된 플랫폼을 개발할 수 있는가?

주요 결과

• 파동도자 배열과 전자선 리소그래피를 사용하여 85%의 확률로 초광량 단일 스핀 결함을 분리하였다.
• 결함은 복사 수명 τ₁ ≈ 2.5 ns 와 비복사 수명 τ₂ ≈ 600 ns 를 보였으며, 이는 광학적 스핀 초기화에 필수적인 장수명 준안정 상태를 나타낸다.
• 선형 편광도(DOP)는 약 0.8로 측정되어 강한 방출 이방성과 고품질 광학적 방출을 나타낸다.
• 포화 출력 P_sat는 446 ± 54 μW였고, 포화 방출률 I_sat는 3.7 ± 0.20 MHz로 확인되어 고광량임을 입증한다.
• 실온에서 라비 진동과 하인 에코 신호가 관측되어 마이크로파 펄스를 통한 공진 스핀 조절이 가능함을 입증하였다.
• ab initio 계산 결과, 결함는 탄소 및 산소 도핑 복합체일 가능성이 높으며, 관측된 광학적 및 스핀 성질과 일치한다.