[논문 리뷰] Vanadium in Silicon Carbide: Telecom-ready spin centres with long relaxation lifetimes and hyperfine-resolved optical transitions

T. Astner, P. Koller외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 06. 13.

Semiconductor materials and devices인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 4H- 및 6H-碳化硅에서 발현되는 바나듐 결함이 초저온에서 장수명 스핀 상실 수명(100 mK에서 최대 25초, 1.3 K에서 약 1초)을 가지며, 통신 대역에 적합한 스핀 중심으로 기능함을 입증한다. 이는 이중광자 자기분광법을 통해 초해상도의 초합성 분리 전이를 가능하게 하며, 높은 스핀 대비(90% 이상)를 실현한다. 이러한 특성은 바나듐을 갖는 SiC를 장거리 양자 통신 및 스핀-광자 인터페이스를 위한 고성능 플랫폼으로 위치시킨다.

ABSTRACT

Vanadium in silicon carbide (SiC) is emerging as an important candidate system for quantum technology due to its optical transitions in the telecom wavelength range. However, several key characteristics of this defect family including their spin relaxation lifetime (T1), charge state dynamics, and level structure are not fully understood. In this work, we determine the T1 of an ensemble of vanadium defects, demonstrating that it can be greatly enhanced at low temperature. We observe a large spin contrast exceeding 90% and long spin-relaxation times of up to 25s at 100mK, and of order 1s at 1.3K. These measurements are complemented by a characterization of the ensemble charge state dynamics. The stable electron spin furthermore enables high-resolution characterization of the systems' hyperfine level structure via two-photon magneto-spectroscopy. The acquired insights point towards high-performance spin-photon interfaces based on vanadium in SiC.

연구 동기 및 목표

• 저온에서 4H- 및 6H-SiC 내 바나륨 결함의 스핀 상실 동역학을 조사하기 위해.
• 양자 기술 응용을 위한 SiC 내 V⁴⁺ 중심의 전하 상태 동역학 및 광학적 성질을 특성화하기 위해.
• 이중광자 자기분광법을 이용해 스핀 상태의 초합성 구조를 해소하기 위해.
• 바나륨 중심이 양자 메모리, 센서 및 장거리 양자 통신에 적합한지 평가하기 위해.
• 스핀 상실 및 전하 상태 안정성 측면에서 4H- 및 6H 다형체의 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 100 mK에서 3 K 사이의 온도에서 4H- 및 6H-SiC 내 V⁴⁺ 집합체에 대해 전면 광학 분광법 및 스핀 상실 측정을 수행하였다.
• 1.3 µm 부근의 광학 전이를 탐색하기 위해 가변 주파수의 적외선 및 녹색 레이저를 사용한 공 resonance 형 광발광(PL) 분광법을 적용하였다.
• 기본 상태 GS1-에너지 준위 ES1 전이에서 연속파 조명을 통해 전하 빈도 구멍을 만들었으며, 전하 상태 동역학을 연구하였다.
• 두 레이저 빔을 사용한 이중광자 자기분광법을 적용하여 초합성 분리 및 g 인자 결정을 수행하였다.
• c 축을 따라 최대 0.49 T의 자기장을 가동하기 위해 초도체 솔레노이드를 사용하였다.
• 자기장 의존성 PL 신호 및 스핀 고갈을 분석하여 스핀 상실 시간(T₁) 및 초합성 매개변수를 추출하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 100 mK 및 1.3 K에서 4H- 및 6H-SiC 내 바나륨 결함의 스핀 상실 수명(T₁)은 얼마인가?
• RQ2 광학적 자극 조건 하에서 4H- 및 6H-SiC 다형체 간 전하 상태 동역학은 어떻게 다를까?
• RQ3 이중광자 분광법을 통해 바나륨 중심에서 초합성 분리 전이를 관찰할 수 있는가?
• RQ4 레이저 유도 스펙트럼 확산이 광학 전이의 대역폭 및 위상 일관성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 두 다형체 간 스핀 대비 및 초기화 정밀도는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 100 mK에서 스핀 상실 수명은 최대 25초에 이르며, 이는 양자 메모리에 적합한 장수명 위상 일관성을 나타낸다.
• 100 mK에서 스핀 대비가 90% 이상을 초과하여 전자 스핀 상태의 고정밀 초기화 및 판독이 가능함을 입증한다.
• 이중광자 자기분광법을 통해 Aₓₓ = 75(4) MHz 및 A_zz = -213(4) MHz로 측정된 초합성 분리를 해소하였으며, 정밀한 스핀 상태 특성화가 가능해졌다.
• 4H-SiC에서 전하 빈도 구멍이 관측되었으며, 100 mK에서 수 시간 동안 지속되는 안정된 스펙트럼 구멍이 형성되어 장수명 전하 상태 제어가 가능함을 시사한다.
• 6H-SiC에서는 빈도 구멍이 관측되지 않았으며, 스핀 상실이 단일 지수 감쇠를 따르지 않아 4H-SiC와는 다른 전하 동역학을 가짐을 시사한다.
• 이중광자 분광법에서 좁은 광학 특성을 보이며, 레이저 유도 스펙트럼 확산에 의한 비균일한 넓이 확산에도 불구하고 고정밀 양자 연산의 잠재력이 있음을 나타낸다.