[논문 리뷰] Millisecond electron spin coherence time for erbium ions in silicon

Ian R. Berkman, Alexey Lyasota외 13명|arXiv (Cornell University)|2023. 07. 19.

Quantum optics and atomic interactions인용 수 7

한 줄 요약

이 연구는 28Si에서 이소토프로 순화된 실리콘에서 29Si 핵스핀이 없는 조건에서 광학 검출을 통해 실현된 마이크로초 수준의 전자 스핀 공명 시간(최대 1.2 ms)을 보여준다. 연구는 70 kHz 미만의 균일한 광학 스피크트럼 폭과 약 11 mT에서의 장수 공명을 보고하며, Er3+:Si가 통신 대역에 적합한 스핀-광자 인터페이스를 갖춘 확장 가능한 양자정보처리 플랫폼으로서 고정밀도를 확보한다.

ABSTRACT

Spins in silicon that are accessible via a telecom-compatible optical transition are a versatile platform for quantum information processing that can leverage the well-established silicon nanofabrication industry. Key to these applications are long coherence times on the optical and spin transitions to provide a robust system for interfacing photonic and spin qubits. Here, we report telecom-compatible Er3+ sites with long optical and electron spin coherence times, measured within a nuclear spin-free silicon crystal (<0.01% 29Si) using optical detection. We investigate two sites and find 0.1 GHz optical inhomogeneous linewidths and homogeneous linewidths below 70 kHz for both sites. We measure the electron spin coherence time of both sites using optically detected magnetic resonance and observe Hahn echo decay constants of 0.8 ms and 1.2 ms at around 11 mT. These optical and spin properties of Er3+:Si are an important milestone towards using optically accessible spins in silicon for a broad range of quantum information processing applications.

연구 동기 및 목표

• 확장 가능한 양자 기술을 위한 erbium 도핑 실리콘에서 장수 전자 스핀 공명 시간을 달성하기 위해.
• 실리콘 내에서 장수 광학 및 스핀 공명 시간을 갖는 광학적으로 접근 가능한 Er3+ 이온을 입증하기 위해.
• 29Si의 핵스핀 상호작용으로 인한 디코herence를 최소화하기 위해 핵스핀이 없는 28Si를 활용하기 위해.
• 통신 파장 대역 전이를 이용해 고정밀 스핀-광자 인터페이스를 실현하기 위해.
• 장수 큐비트를 갖춘 확장 가능하고 실리콘 호환성 있는 플랫폼으로서의 양자정보처리를 구축하기 위해.

제안 방법

• 29Si 농도가 0.01% 미만인 이소토프로 순화된 28Si 결정을 사용하여 핵스핀 디코herence를 최소화하였다.
• 광학적 검출을 통해 광전이 스피크트럼 폭과 전자 스핀 공명 시간을 측정하였다.
• Hahn 에코 감쇠를 측정하기 위해 광학적으로 검출된 자기공명(ODMR)을 활용하였다.
• Er3+ 발광의 스펙트럼 분석을 통해 비균일한 및 균일한 광학 스피크트럼 폭을 측정하였다.
• 약 11 mT의 외부 자기장에서 Hahn 에코 측정을 수행하여 T2 공명 시간을 결정하였다.
• 실리콘 격자 내에서 서로 다른 광학적 및 스핀 특성을 갖는 두 개의 별개의 Er3+ 위치를 식별하고 특성화하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 내 Er3+ 이온이 1 ms를 초월하는 전자 스핀 공명 시간을 달성할 수 있는가?
• RQ2 28Si 내 Er3+ 이온의 광학 스피크트럼 폭(비균일 및 균일)은 얼마인가?
• RQ3 29Si 핵스핀의 부재는 Er3+:Si 내 전자 스핀 공명에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 광학적으로 검출된 자기공명는 반도체 기질 내 Er3+ 이온에서 장수 스핀 공명 시간을 해석할 수 있는가?
• RQ5 Er3+는 실리콘 내에서 통신 대역에 적합한 스핀-광자 인터페이스로서 어떤 성능을 보이는가?

주요 결과

• Hahn 에코 감쇠를 통한 측정 결과, 28Si 내 두 Er3+ 이온 위치에서 약 11 mT에서 전자 스핀 공명 시간(T2)이 각각 0.8 ms와 1.2 ms에 도달하였다.
• 두 Er3+ 이온 위치 모두 균일한 광학 스피크트럼 폭이 70 kHz 이하이며, 각각 66 kHz와 52 kHz였다.
• 비균일한 광학 스피크트럼 폭은 각각 148 MHz와 72 MHz였으며, 높은 스펙트럼 안정성을 나타내었다.
• 광학 전이가 통신 대역(C-밴드)에 적합하여 저손실 광학 통합이 가능하다.
• 장수 스핀 공명 시간은 핵스핀이 없는 28Si 환경 덕분에 하이퍼파라미터 결합을 최소화함으로써 실현되었다.
• 본 연구는 장수 큐비트를 갖는 광학적으로 접근 가능한 스핀 큐비트를 실리콘 나노패턴 제작 환경에서 실현 가능한 플랫폼으로서 Er3+:Si를 확립하였다.