[논문 리뷰] Optically-active spin defects in few-layer thick hexagonal boron nitride

Alrik Durand, T. Clua-Provost외 12명|PubMed|2023. 04. 24.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 10

한 줄 요약

본 논문은 몇 층 두께의 hBN에서 V_B^- 중심의 광학적으로 검출된 전자 스핀 공명을 입증하고, 제로필드 스플리링, 광학 스핀 분극화, 종방향 이완이 hBN 두께에 따라 어떻게 변하는지 분석하며, 2D 한계에서의 수정 및 향상된 광학 효과를 드러낸다.

ABSTRACT

Optically active spin defects in hexagonal boron nitride (hBN) are promising quantum systems for the design of two-dimensional quantum sensing units offering optimal proximity to the sample being probed. In this Letter, we first demonstrate that the electron spin resonance frequencies of boron vacancy centers (V_{B}^{-}) can be detected optically in the limit of few-atomic-layer thick hBN flakes despite the nanoscale proximity of the crystal surface that often leads to a degradation of the stability of solid-state spin defects. We then analyze the variations of the electronic spin properties of V_{B}^{-} centers with the hBN thickness with a focus on (i) the zero-field splitting parameters, (ii) the optically induced spin polarization rate and (iii) the longitudinal spin relaxation time. This Letter provides important insights into the properties of V_{B}^{-} centers embedded in ultrathin hBN flakes, which are valuable for future developments of foil-based quantum sensing technologies.

연구 동기 및 목표

• 원자 두께의 hBN 두께에서 V_B^- 중심이 광학적으로 검출 가능한 스핀 공명을 유지하는지 조사한다.
• 전자 스핀 특성(제로필드 스플리링과 스트레인-전기 상호작용)이 hBN 두께에 따라 어떻게 달라지는지 특성화한다.
• 두께에 따른 광 펌핑이 스핀 분극화에 어떤 영향을 미치는지 측정한다.
• 벌크와 유사한 특성을 보이는 hBN에서 몇 층 두께의 hBN으로 변할 때 및 저온에서 종방향 스핀 이완 시간 T1이 어떻게 바뀌는지 결정한다.

제안 방법

• V_B^- 중심을 만들기 위해 중성자 조사된 동위원소 순수한 hBN을 사용한다.
• 두께가 서로 다른 조각을 얻기 위해 박리하여 SiO2/Si 기판으로 전이한다.
• 광발광(PL)을 읽는 동안 제로 및 인가된 자기장 하에서 MW 공진으로 광적으로 검출된 ESR 스펙트럼을 기록한다.
• 전이전력전기장을 통해 E-스플리핑을 설명하기 위해 V_B^- 주변의 미시적 전하 분포를 이용해 ESR을 모델링한다.
• 전이 행렬(transfer-matrix) 접근법을 사용해 두께 의존적 광흡수를 계산하여 분극 속도 변화의 원인을 설명한다.
• 두께와 온도에 걸쳐 레이저 펌프-암상 이완-읽기 순서를 통해 T1을 측정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 초박형 hBN에서 V_B^- 중심이 표면에 가까운 상태에도 불구하고 광학적으로 검출 가능한 ESR을 보이나?
• RQ2 D(축 방향)와 E(수평 방향) 제로필드 스플리핑이 hBN 두께가 2D 한계에 접근함에 따라 어떻게 진화하는가?
• RQ3 광학적으로 유도된 스핀 분극화 속도는 두께와 광 흡수에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ4 감소된 두께와 온도에 의해 종방향 스핀 이완 시간 T1은 어떻게 영향을 받는가?

주요 결과

• 적층이 몇 층인 hBN에서 V_B^- 중심의 ESR 주파수는 광학적으로 검출 가능한 상태를 유지하고, D는 변하지 않고 E는 감소하여 초박층 조각에서 단일 공명이 나타난다.
• 주변 전하가 더 적어 얇은 조각에서 감소된 E-스플리핑을 설명하는 국소 전기장 모델이 관찰된 ESR 스펙트럼과 일치한다.
• 두께 의존적 S_p로 보여지듯 공기/ hBN 경계 근처에서 흡수가 증가하여 광학적으로 유도된 스핀 분극화 속도가 몇 층 hBN에서 향상된다.
• 실온에서 몇 층 hBN에서 T1은 약 1 μs로 감소하지만 4 K에서 밀리초 범위까지 증가하여 표면 관련 자기 잡음을 저온에서 억제하고 2D에서의 스핀-포논 상호작용 변화 가능성을 시사한다.