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

T. Astner, P. Koller+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 13, 2022

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一句话总结

本研究证明，4H-和6H-碳化硅中的钒缺陷作为具备长自旋弛豫寿命的电信波段自旋中心，其自旋弛豫寿命在100 mK时可达25秒，在1.3 K时约为1秒，展现出超过90%的高自旋对比度和通过双光子磁光谱学分辨的超精细结构跃迁，使钒掺杂碳化硅成为远距离量子通信和自旋-光子接口的高性能平台。

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.

研究动机与目标

• 研究低温下4H-和6H-碳化硅中钒缺陷的自旋弛豫动力学。
• 表征SiC中V⁴⁺中心的电荷态动力学和光学特性，以适用于量子技术。
• 利用双光子磁光谱学解析自旋态的超精细结构。
• 评估钒中心在量子存储、传感和远距离量子通信中的适用性。
• 比较4H-和6H多型在自旋弛豫和电荷态稳定性方面的性能差异。

提出的方法

• 在100 mK至3 K的温度范围内，对4H-和6H-SiC中V⁴⁺团簇进行了全光学光谱和自旋弛豫测量。
• 采用可调谐红外和绿光激光进行共振光致发光（PL）光谱测量，探测1.3 µm附近的光学跃迁。
• 通过在基态-激发态1（GS1-ES1）跃迁处连续波激发，实施电荷空穴烧孔实验，以研究电荷态动力学。
• 利用两束激光进行双光子磁光谱学，以分辨超精细劈裂并确定g因子。
• 使用超导螺线管沿c轴施加最高0.49 T的磁场，以诱导塞曼分裂。
• 分析磁场依赖的PL信号和自旋耗尽，以提取自旋弛豫时间（T₁）和超精细参数。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温下，4H-和6H-SiC中钒缺陷的自旋弛豫寿命（T₁）是多少？
• RQ2 在光学激发下，4H-和6H-SiC多型的电荷态动力学有何差异？
• RQ3 能否通过双光子光谱学在钒中心中观测到超精细分辨的光学跃迁？
• RQ4 激光诱导的光谱扩散对光学跃迁的线宽和相干性有何影响？
• RQ5 两种多型在自旋对比度和初始化保真度方面表现如何？

主要发现

• 在100 mK时，自旋弛豫寿命最高可达25秒，在1.3 K时约为1秒，表明其相干时间足够长，适用于量子存储。
• 在100 mK时，自旋对比度超过90%，证明电子自旋态可实现高保真度初始化与读出。
• 双光子磁光谱学成功分辨出超精细结构，测得Aₓₓ = 75(4) MHz和A_zz = -213(4) MHz，实现了对自旋态的精确表征。
• 在4H-SiC中观察到电荷空穴烧孔，形成的光谱孔洞在100 mK下可稳定持续数小时，表明电荷态具有长期可控性。
• 6H-SiC多型未观察到空穴烧孔，且其自旋弛豫不遵循单指数衰减，表明其电荷动力学与4H-SiC存在显著差异。
• 双光子光谱中表现出窄的光学特征，尽管存在激光诱导光谱扩散引起的非均匀展宽，但仍显示出实现高保真度量子操作的潜力。