[论文解读] Coherent spin dynamics of hyperfine-coupled vanadium impurities in silicon carbide

Joop Hendriks, Carmem M. Gilardoni+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 4

一句话总结

本研究调查了4H-SiC中与超精细耦合的钒缺陷的相干自旋动力学，展示了最长7.2 μs的退相干时间以及超过26 μs的Hahn自旋回波相干寿命。尽管与邻近的²⁹Si核自旋强耦合，中心钒自旋仍保持长相干性，表明其在可扩展平台中作为稳健量子寄存器的潜力。

ABSTRACT

Progress with quantum technology has for a large part been realized with the nitrogen-vacancy centre in diamond. Part of its properties, however, are nonideal and this drives research into other spin-active crystal defects. Several of these come with much stronger energy scales for spin-orbit and hyperfine coupling, but how this affects their spin coherence is little explored. Vanadium in silicon carbide is such a system, with technological interest for its optical emission at a telecom wavelength and compatibility with semiconductor industry. Here we show coherent spin dynamics of an ensemble of vanadium defects around a clock-transition, studied while isolated from, or coupled to neighbouring nuclear spins. We find spin dephasing times up to 7.2 $μ$s, and via spin-echo studies coherence lifetimes that go well beyond tens of microseconds. We demonstrate operation points where strong coupling to neighbouring nuclear spins does not compromise the coherence of the central vanadium spin, which identifies how these can be applied as a coherent spin register. Our findings are relevant for understanding a wide class of defects with similar energy scales and crystal symmetries, that are currently explored in diamond, silicon carbide, and hexagonal boron nitride.

研究动机与目标

• 调查在不同核自旋环境下的4H-SiC中钒缺陷的相干自旋动力学。
• 确定与邻近的²⁹Si核自旋的超精细耦合对自旋退相干和相干时间的影响。
• 评估自旋回波技术在强核自旋相互作用存在下保持相干性的有效性。
• 识别强超精细耦合不损害中心自旋相干性的操作点，从而使其可作为量子寄存器使用。
• 评估4H-SiC中的钒缺陷作为可扩展、室温兼容的量子技术平台的可行性。

提出的方法

• 在2 K下使用光学探测磁共振（ODMR）探测钒缺陷的自旋态，通过可调谐的光学探测波长选择性地激发亚系综。
• 通过施加具有可变延迟的两个微波脉冲，进行拉比干涉测量，以提取退相干时间（T2*）。
• 应用Hahn自旋回波序列，通过补偿非均匀展宽和超精细相互作用引起的退相干，测量相干时间（T2）。
• 使用25 dBm功率的微波驱动诱导拉比振荡和拉比条纹，通过分析信号调制提取相干性特征。
• 通过光学波长区分亚系综：1278.76 nm探测具有附近²⁹Si核自旋的缺陷（DT I/II），而1278.86 nm则靶向无附近²⁹Si自旋的缺陷（DT 0）。
• 通过ODMR谱的模拟验证实验数据，采用五个高斯线型拟合以考虑超精细分裂和非均匀展宽。

实验结果

研究问题

• RQ1 与邻近的²⁹Si核自旋的超精细耦合对4H-SiC中钒缺陷的退相干时间（T2*）有何影响？
• RQ2 尽管存在强超精细耦合，Hahn自旋回波序列是否能保持相干性？其对应的T2寿命是多少？
• RQ3 光学探测波长如何选择性地访问具有不同核自旋构型（DT 0、DT I、DT II）的钒缺陷系综？
• RQ4 是否存在操作点（如钟形跃迁）使得强超精细耦合不会损害中心自旋相干性？
• RQ5 在如本缺陷体系中具有各向异性磁场耦合的系统中，动力学解耦序列的有效性如何？

主要发现

• 在30 mT磁场下，4H-SiC中钒缺陷的最长观测退相干时间（T2*）为7.2 μs，位于钟形跃迁附近。
• Hahn自旋回波测量显示，在总自由进动时间达26 μs内回波振幅无衰减，表明相干时间（T2）至少比T2*长一个数量级。
• 在1278.76 nm波长下光学探测，ODMR谱中出现侧峰，表明与一个或两个邻近的²⁹Si核自旋存在超精细耦合，证实了DT I和DT II亚系综的存在。
• 在1278.86 nm波长下探测，侧峰信号被抑制，证实了对无附近²⁹Si自旋的DT 0亚系综的选择性访问。
• 26 μs内无回波衰减，表明强超精细耦合并不必然导致相干性退化，从而支持稳健的量子操作。
• 结果表明，由于有利的对称性和能级匹配，即使与环境核自旋耦合，4H-SiC中的钒缺陷仍可作为相干自旋寄存器运行。