[논문 리뷰] Coherent spin dynamics of hyperfine-coupled vanadium impurities in silicon carbide

Joop Hendriks, Carmem M. Gilardoni외 3명|arXiv (Cornell University)|2022. 10. 18.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 4H-SiC에서 초미세결합된 바나듐 결함의 응집된 스핀 동역학을 조사하여, 7.2 μs까지의 디코herence 시간과 26 μs를 초월하는 하운 스피너-에코 공명 수명을 입증한다. 이웃한 29Si 핵 스핀과의 강한 결합에도 불구하고 중심 바나듐 스핀은 장시간 공명을 유지하며, 확장 가능한 플랫폼에서 강력한 양자 레지스터로의 잠재력을 보여준다.

ABSTRACT

Progress with quantum technology has for a large part been realized with the nitrogen-vacancy centre in diamond. Part of its properties, however, are nonideal and this drives research into other spin-active crystal defects. Several of these come with much stronger energy scales for spin-orbit and hyperfine coupling, but how this affects their spin coherence is little explored. Vanadium in silicon carbide is such a system, with technological interest for its optical emission at a telecom wavelength and compatibility with semiconductor industry. Here we show coherent spin dynamics of an ensemble of vanadium defects around a clock-transition, studied while isolated from, or coupled to neighbouring nuclear spins. We find spin dephasing times up to 7.2 $μ$s, and via spin-echo studies coherence lifetimes that go well beyond tens of microseconds. We demonstrate operation points where strong coupling to neighbouring nuclear spins does not compromise the coherence of the central vanadium spin, which identifies how these can be applied as a coherent spin register. Our findings are relevant for understanding a wide class of defects with similar energy scales and crystal symmetries, that are currently explored in diamond, silicon carbide, and hexagonal boron nitride.

연구 동기 및 목표

• 다양한 핵 스핀 환경에서 4H-SiC의 바나듐 결함의 응집된 스핀 동역학을 조사하기 위해.
• 이웃한 29Si 핵 스핀과의 초미세결합이 스핀 디코herence 및 공명 수명에 미치는 영향을 규명하기 위해.
• 강한 핵 스핀 상호작용이 존재하는 조건에서 스핀에코 기법이 공명을 유지하는 데 얼마나 효과적인지 평가하기 위해.
• 강한 초미세결합이 중심 스핀의 공명을 떨어뜨리지 않는 작동 지점(예: 클록 전이)을 식별하기 위해.
• 바나듐 결함가 SiC에서 확장 가능하고 실온에서 작동 가능한 플랫폼으로서의 양자 기술의 실현 가능성 평가하기 위해.

제안 방법

• 2 K에서 광학적으로 탐지된 자기공명(ODMR)을 사용하여 바나늄 결함의 스핀 상태를 측정하였으며, 하위집합을 선택적으로 탐지하기 위해 가변 광학 탐지 파장을 조절하였다.
• 변동하는 간격을 가진 두 개의 마이크로파 펄스를 적용하여 라마지 간섭 측정을 수행하여 디코herence 시간(T2*)을 추출하였다.
• 비균일한 넓이 및 초미세결합으로 인한 디코herence를 재조정하기 위해 하운 스피너에코 시퀀스를 적용하여 공명 수명(T2)을 측정하였다.
• 25 dBm의 마이크로파 조절을 통해 라비 진동과 라마지 간섭 무늬를 유도하였으며, 신호 변조를 분석하여 공명 특성을 추출하였다.
• 하위집합은 광학 파장으로 구분되었다: 1278.76 nm는 근처에 29Si 핵 스핀이 있는 결함(DT I/II)을 탐지하였고, 1278.86 nm는 그러한 스핀이 없는 결함(DT 0)을 타겟으로 하였다.
• 실험 데이터를 검증하기 위해 ODMR 스펙트럼의 시뮬레이션을 수행하였으며, 초미세분리 및 비균일한 넓이를 고려하기 위해 다섯 개의 가우시안 선형 형태를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 4H-SiC의 바나륨 결함에서 이웃한 29Si 핵 스핀과의 초미세결합이 디코herence 시간(T2*)에 미치는 영향은 무엇인가요?
• RQ2 강한 초미세결합이 존재하는 바나륨 결함에서 하운 스피너에코 시퀀스가 공명을 유지할 수 있으며, 그로 인한 T2 수명은 얼마인가요?
• RQ3 광학적 탐지 파장이 바나륨 결함 집합에서 서로 다른 핵 스핀 구성(DT 0, DT I, DT II)을 가진 하위집합을 어떻게 선택적으로 접근하는가요?
• RQ4 강한 초미세결합이 중심 스핀 공명을 손상시키지 않는 작동 지점(예: 클록 전이)이 존재하는가요?
• RQ5 이러한 결함 시스템에서 자기장에 대한 비대칭적 결합이 있는 시스템에서, 다이내믹 디커플링 시퀀스의 효과는 어느 정도 유지되는가요?

주요 결과

• 4H-SiC의 바나륨 결함에서 관측된 최장의 디코herence 시간(T2*)은 7.2 μs였으며, 클록 전이 근처에서 30 mT의 자기장에서 측정되었다.
• 하운 스피너에코 측정에서 총 자유 전진 시간 26 μs까지 에코 진폭의 감쇠가 관찰되지 않아, 공명 수명(T2)이 T2*보다 한 단계 이상 길다는 것을 시사한다.
• 1278.76 nm에서의 광학 탐지로 인해 초미세결합으로 인한 옆 ꄴ이 ODMR 스펙트럼에 나타나, DT I 및 DT II 하위집합의 존재를 확인하였다.
• 1278.86 nm에서의 탐지로 인해 옆 ꄴ 신호가 억제되어, 근처에 29Si 스핀이 없는 DT 0 하위집합에 선택적으로 접근함을 확인하였다.
• 26 μs 동안 에코 감쇠가 관찰되지 않아, 강한 초미세결합이 반드시 공명을 악화시키는 것은 아니며, 이는 강력한 양자 작동을 가능하게 한다.
• 결과적으로, 유리한 대칭성과 에너지 척도 일치 덕분에 SiC의 바나륨 결함는 환경의 핵 스핀과 결합되어 있어도 응집된 스핀 레지스터로 기능할 수 있음을 보여준다.