[논문 리뷰] Spin coherence of near-surface ionised $^{125}$Te$^+$ donors in silicon

Mantas Šimėnas, James O’Sullivan외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 17.

Semiconductor Quantum Structures and Devices인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 표면 근처의 자연 실리콘 내 125Te+ 기여자를 이용하여 밀리초 수준의 스핀 공명을 입증하였다. 표면 에너대역 휨 현상을 활용해 텔루르 기여자를 이온화하고, 3.5 GHz에서의 영자기장 클록 전이를 이용함으로써 이루어졌다. 125Te+ 시스템은 클록 전이에서의 분해상실 억제와 표면 결함에 대한 감도 감소로 인해 T2 > 1 ms를 달성하였으며, 이는 다른 표면 근처 스핀 시스템보다 약 10배 긴 수준이다.

ABSTRACT

Impurity spins in crystal matrices are promising components in quantum technologies, particularly if they can maintain their spin properties when close to surfaces and material interfaces. Here, we investigate an attractive candidate for microwave-domain applications, the spins of group-VI Impurity spins in crystal matrices are promising components in quantum technologies, particularly if they can maintain their spin properties when close to surfaces and material interfaces. Here, we investigate an attractive candidate for microwave-domain applications, the spins of group-VI $^{125}$Te$^+$ donors implanted into natural Si at depths as shallow as 20~nm. We show that surface band-bending can be used to ionise such near-surface Te to spin-active Te$^+$ state, and that optical illumination can be used further to control the Te donor charge state. We examine spin activation yield, spin linewidth, relaxation ($T_1$) and coherence times ( two) and show how a zero-field 3.5~GHz `clock transition' extends spin coherence times to over 1~ms, which is about an order of magnitude longer than other near-surface spin systems.

연구 동기 및 목표

• 양자 기술에 적합한 긴 공명 시간을 갖는 실리콘 내 표면 근처 스핀 시스템을 개발하기 위해.
• 표면 결함으로 인한 스핀 분해상실 문제를 해결하기 위해 표면에 의해 유도되는 분해상실에 덜 민감한 스핀 시스템을 식별하기 위해.
• 표면 에너대역 휨 현상과 광학 제어를 통해 깊이 20 nm 이내에 위치한 125Te+ 기여자를 이온화하는 것을 입증하기 위해.
• 125Te+의 영자기장 클록 전이 특성을 활용하여 자연 실리콘 내에서 밀리초 수준의 공명 시간을 달성하기 위해.
• 다른 표면 근처 기여자들과의 공명 성능 비교를 통해 주요 분해상실 메커니즘을 규명하기 위해.

제안 방법

• 10 K에서 펄스 전자 스핀 공명(ESR)을 이용하고 루프 갭 공진기를 사용하여 스핀 공명 시간(T2)과 회복 시간(T1)을 측정하였다.
• Fermi 수준의 고정 현상에 의해 유도되는 표면 에너대역 휨을 활용하여 표면 근처 실리콘(20 nm 깊이) 내 125Te 기여자를 스핀 활성 상태인 Te+ 상태로 이온화하였다.
• 적외선 조명을 적용하여 얕은 이온주입된 샘플에서 이온화 수율을 향상시켰으며, 복합 doping 방식인 붕소 도핑을 초월하였다.
• 제어된 마이크로파 필드 방향을 가진 에코 검출 ESR 스펙트로스코피를 수행하여 Sz 및 Sx 전이를 측정하였다.
• CCE-2 시뮬레이션을 사용하여 T2의 각도 의존성을 모델링하고 핵자기 이중극 상호작용의 역할을 평가하였다.
• 전이 주파수의 외부 자기장 의존성을 측정하여 영자기장 클록 전이(∂f/∂B0 = 0)를 확인하고, 이 전이가 T2 연장에 기여하는 바를 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표면 에너대역 휨 현상을 이용하여 깊이 20 nm 이내의 125Te+ 기여자를 스핀 활성 상태인 Te+ 상태로 이온화할 수 있는가?
• RQ2 125Te+의 영자기장 클록 전이가 표면 근처 실리콘 내 스핀 공명 시간을 크게 연장하는가?
• RQ3 광학 조명은 붕소 도핑에 비해 얕은 125Te+ 기여자의 이온화 수율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 표면 근처 125Te+ 기여자에서 T2를 제한하는 주요 분해상실 메커니즘은 무엇이며, 클록 전이에서 이 메커니즘이 억제되는가?
• RQ5 자기장의 방향이 실리콘 결정 축에 대해 어떻게 배열되어 있는가에 따라 125Te+ 시스템의 T2에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 깊이 20 nm에 위치한 표면 근처 125Te+ 기여자는 다른 표면 근처 스핀 시스템보다 현저히 긴 스핀 공명 시간(T2)을 기록하여 1 ms를 초과한다.
• 3.5 GHz에서의 영자기장 클록 전이(∂f/∂B0 = 0)는 T2 > 1 ms를 가능하게 하며, 이는 비균일한 넓이 확장 억제 기능을 확인한다.
• 적외선 조명은 붕소 도핑에 의해 달성되는 것보다 높은 이온화 분율을 제공하여 스핀 활성화 수율을 향상시킨다.
• T2 값은 자기장이 실리콘 결정 축에 대해 어떤 방향으로 배열되어 있는지에 따라 크게 달라지며, B0가 [001] 방향으로 정렬된 경우 최대 T2를 기록한다.
• 측정된 T2 값은 즉각적 확산(ID) 또는 직접 플립플롭(dFF) 과정에 의해 제한되지 않으며, 시뮬레이션 결과에서 예측된 긴 한계(예: 약 8 ms)보다 훨씬 짧다. 이는 다른 메커니즘이 지배적임을 시사한다.
• B0가 [001] 축에서 기울어지면 T2 값이 급격히 감소하며, 이는 이방성 핵자기 이중극 상호작용에 기반한 이론적 예측과 일치한다.