[논문 리뷰] Coherent Manipulation with Resonant Excitation and Single Emitter Creation of Nitrogen Vacancy Centers in 4H Silicon Carbide

Zhao Mu, S. A. Zargaleh외 8명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 07.

Silicon Carbide Semiconductor Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 공명 광학 자극을 사용하여 4H-SiC 내 질소 비공명(_NV_) 중심에서의 일관된 양자 제어를 구현하며, 라비 및 라모어 진동을 달성하였다. 또한 이온 주입을 통해 단일_NV_ 중심의 성공적인 생성 및 특성 분석을 보고하며, 긴 공명 시간과 웨이퍼 수준의 통합 가능성을 지닌 확장 가능한 양자 정보 처리 플랫폼으로서 4H-SiC의 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

Silicon carbide (SiC) has become a key player in realization of scalable quantum technologies due to its ability to host optically addressable spin qubits and wafer-size samples. Here, we have demonstrated optically detected magnetic resonance (ODMR) with resonant excitation, and clearly identified the ground state energy levels of the NV centers in 4H-SiC. Coherent manipulation of NV centers in SiC has been achieved with Rabi and Ramsey oscillations. Finally, we show the successful generation and characterization of single nitrogen vacancy (NV) center in SiC employing ion implantation. Our results are highlighting the key role of NV centers in SiC as a potential candidate for quantum information processing.

연구 동기 및 목표

• 공명 광학 자극을 사용하여 4H-SiC 내_NV_ 중심의 일관된 제어를 달성하기.
• 광학적으로 탐지된 자외선 공명(ODMR)을 통해 4H-SiC 내_NV_ 중심의 기본 상태 에너지 준위를 규명하기.
• 이온 주입을 통해 4H-SiC 내에서 단일 발광체를 생성하기.
• 4H-SiC를 장수명 공명 시간과 웨이퍼 수준의 호환성을 지닌 확장 가능한 양자 정보 처리 플랫폼으로 정립하기.

제안 방법

• 4H-SiC 내_NV_ 중심의 고정밀 상태 준비 및 읽기 가능성을 높이기 위해 공명 자극을 적용하여 광학 대비를 향상시켰다.
• _NV_ 중심의 기본 상태 에너지 준위를 해소하기 위해 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR)을 사용하였다.
• _NV_ 스핀 큐비트의 일관된 제어를 확인하기 위해 라비 및 라모어 진동을 측정하였다.
• 고립된_NV_ 중심을 생성하기 위해 이온 주입을 적용한 후 광학적 및 자기적 특성 분석을 수행하였다.
• 실험 장치를 통해 높은 신호 대비 잡음비로 단일_NV_ 중심의 발광을 탐지할 수 있었다.
• 4H-SiC 기반재를 사용함으로써 웨이퍼 수준의 통합 및 기존 반도체 공정 기술과의 호환성이 가능했다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공명 자극은 4H-SiC 내_NV_ 중심의 고대비 광학 탐지 및 일관된 제어를 가능하게 하는가?
• RQ2 4H-SiC 내_NV_ 중심의 기본 상태 에너지 준위는 무엇이며, ODMR를 통해 해소 가능한가?
• RQ3 이온 주입을 통해 4H-SiC 내에서 단일_NV_ 중심을 생성하고 고립시키는 것이 가능한가?
• RQ4 4H-SiC 내_NV_ 중심에서 라비 및 라모어 진동을 관측할 수 있는가? 이는 일관된 스핀 제어를 확인하는가?
• RQ5 공명 자극과 단일 발광체 생성의 조합이 4H-SiC 내에서 확장 가능한 양자 기술을 가능하게 하는가?

주요 결과

• 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR)을 통해 4H-SiC 내_NV_ 중심의 기본 상태 에너지 준위가 명확히 규명되었다.
• 라비 및 라모어 진동이 성공적으로 관측되어 4H-SiC 내_NV_ 중심의 스핀 큐비트에 대한 일관된 제어가 확인되었다.
• 공명 자극은 광학 대비를 크게 향상시켜 고정밀 상태 준비 및 읽기 가능성을 높였다.
• 이온 주입을 통해 4H-SiC 내에서 단일_NV_ 중심이 성공적으로 생성되었으며, 고립된 발광이 확인되었다.
• 4H-SiC 내_NV_ 중심은 양자 정보 처리에 적합한 긴 공명 시간을 보였다.
• 결과적으로, 4H-SiC 내에서 광학적으로 주소 지정 가능한 스핀 큐비트를 통합하여 확장 가능한 양자 기술을 실현할 수 있음을 입증하였다.