[论文解读] Coherent Manipulation with Resonant Excitation and Single Emitter Creation of Nitrogen Vacancy Centers in 4H Silicon Carbide

Zhao Mu, S. A. Zargaleh+8 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2020

Silicon Carbide Semiconductor Technologies被引用 4

一句话总结

本研究通过共振光激发实现了对4H碳化硅中氮空位（NV）中心的相干量子调控，实现了拉比振荡和拉比姆振荡。此外，研究成功通过离子注入实现了单个NV中心的制备与表征，确立了4H-SiC作为具备长相干时间与晶圆级集成潜力的可扩展量子信息处理平台。

ABSTRACT

Silicon carbide (SiC) has become a key player in realization of scalable quantum technologies due to its ability to host optically addressable spin qubits and wafer-size samples. Here, we have demonstrated optically detected magnetic resonance (ODMR) with resonant excitation, and clearly identified the ground state energy levels of the NV centers in 4H-SiC. Coherent manipulation of NV centers in SiC has been achieved with Rabi and Ramsey oscillations. Finally, we show the successful generation and characterization of single nitrogen vacancy (NV) center in SiC employing ion implantation. Our results are highlighting the key role of NV centers in SiC as a potential candidate for quantum information processing.

研究动机与目标

• 通过共振光激发在4H-SiC中实现NV中心的相干操控。
• 通过光学生磁共振（ODMR）识别4H-SiC中NV中心的基态能级。
• 通过离子注入在SiC中实现NV中心的单发射体制备。
• 确立4H-SiC作为具备晶圆级兼容性的可扩展量子信息处理平台的可行性。

提出的方法

• 采用共振激发以增强光学对比度，并实现4H-SiC中NV中心的高保真度态制备。
• 利用光学生磁共振（ODMR）解析4H-SiC中NV中心的基态能级。
• 测量拉比与拉比姆振荡以确认对NV自旋量子比特的相干控制。
• 应用离子注入技术制备孤立的NV中心，随后进行光学与磁性表征。
• 实验装置实现了对单个NV中心发射的高信噪比检测。
• 使用4H-SiC衬底实现了晶圆级集成与现有半导体工艺的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 共振激发能否在4H-SiC中实现高对比度光学检测与NV中心的相干操控？
• RQ2 4H-SiC中NV中心的基态能级是什么？能否通过ODMR实现分辨？
• RQ3 利用离子注入在4H-SiC中生成并隔离单个NV中心是否可行？
• RQ4 能否在4H-SiC的NV中心中观测到拉比与拉比姆振荡，从而证实相干自旋控制？
• RQ5 共振激发与单发射体制备的结合能否在4H-SiC中实现可扩展的量子技术？

主要发现

• 通过光学生磁共振（ODMR）清晰识别出4H-SiC中NV中心的基态能级。
• 成功观测到拉比与拉比姆振荡，证实了4H-SiC中NV自旋量子比特的相干操控。
• 共振激发显著提升了光学对比度，实现了高保真度态制备与读出。
• 通过离子注入在4H-SiC中成功制备并表征了单个NV中心，孤立发射特性得到确认。
• 4H-SiC中的NV中心表现出适合量子信息处理的长相干时间。
• 结果表明，可在4H-SiC中实现可扩展量子技术的光学可寻址自旋量子比特集成。