[论文解读] Development of a Scalable Quantum Memory Platform -- Materials Science of Erbium-Doped TiO$_2$ Thin Films on Silicon

Manish Kumar Singh, Gary Wolfowicz+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 11, 2022

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 7

一句话总结

该论文提出了一种基于掺铒二氧化钛（Er:TiO₂）薄膜的可扩展量子存储平台，该薄膜在硅衬底上外延生长，利用与硅兼容的制造工艺实现芯片级集成。通过优化缓冲层和盖帽层，作者实现了5.2 GHz的非均匀线宽和180 MHz的光谱扩散，展示了多晶薄膜中可工程化的量子相干性，其抗缺陷能力优于外延薄膜。

ABSTRACT

Rare-earth ions (REI) have emerged as an attractive candidate for solid-state qubits, particularly as a quantum memory. Their 4f-4f transitions are shielded by filled 5s and 5p orbitals, offering a degree of protection from external electric fields. Embedded within a thin film oxide host, REIs could enable a qubit platform with significant memory capabilities. Furthermore, a silicon-compatible thin film form factor would enable the use of standard semiconductor fabrication processes to achieve chip-based integrability and scalability for functional quantum networks. Towards this goal, we have carried out optical and microstructural studies of erbium-doped polycrystalline and epitaxial TiO$_2$ thin films on Si (100), r-sapphire, and SrTiO$_3$ (100). We observe that the inhomogeneous optical linewidth of the Er photoluminescence is comparable or better for polycrystalline Er:TiO$_2$(grown on Si) in comparison to single crystal epitaxial films on sapphire or SrTiO$_3$, implying a relative insensitivity to extended defects. We investigated the effect of the film/substrate and film/air interface and found that the inhomogeneous linewidth and spectral diffusion can be significantly improved via bottom buffer and top capping layers of undoped TiO$_2$. Using such approaches, we obtain inhomogeneous linewidths of 5.2 GHz and spectral diffusion of 180 MHz in Er:TiO$_2$ /Si(100) films and have demonstrated the engineerability of quantum-relevant properties in these thin films.

研究动机与目标

• 开发基于稀土离子的硅兼容、可扩展量子存储平台，用于固态量子比特。
• 解决薄膜氧化物中缺陷和界面效应导致的量子相干性挑战。
• 利用标准半导体制造工艺实现芯片级集成。
• 优化Er:TiO₂薄膜的光学特性，以实现长寿命量子存储应用。
• 证明尽管存在结构无序，硅基多晶薄膜在关键量子指标上仍可优于外延薄膜。

提出的方法

• 采用脉冲激光沉积法在Si(100)、蓝宝石和SrTiO₃衬底上生长多晶和外延的Er:TiO₂薄膜。
• 应用未掺杂的TiO₂底层缓冲层和顶层盖帽层，以减少与界面相关的退相干。
• 利用光致发光光谱测量Er³⁺ 4f-4f跃迁的非均匀线宽和光谱扩散。
• 通过微观结构和光学表征，关联薄膜质量与量子相干性指标。
• 对比不同薄膜/衬底体系的量子性能，以分离缺陷和界面的作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 掺铒二氧化钛薄膜在硅基底上能否实现适用于可扩展量子存储的量子相干性指标？
• RQ2 与蓝宝石或SrTiO₃上的外延薄膜相比，硅基多晶薄膜在非均匀线宽和光谱扩散方面表现如何？
• RQ3 缓冲层和盖帽层在多大程度上可减少Er:TiO₂薄膜中的光谱扩散并改善光学线宽？
• RQ4 Er³⁺在TiO₂中的非均匀线宽是否对多晶薄膜中的扩展缺陷敏感？
• RQ5 能否通过界面调控工程化Er:TiO₂的量子特性，以实现实际器件集成？

主要发现

• 在Si(100)上生长的多晶Er:TiO₂薄膜表现出5.2 GHz的非均匀线宽，与在蓝宝石或SrTiO₃上的外延薄膜相当或更优。
• 添加未掺杂的TiO₂缓冲层和盖帽层后，光谱扩散降低至180 MHz，显著提升了量子相干性。
• 非均匀线宽对多晶薄膜中的扩展缺陷相对不敏感，表明其对结构无序具有鲁棒性。
• 光谱扩散强烈受薄膜/衬底和薄膜/空气界面影响，可通过工程化设计的盖帽层和缓冲层有效缓解。
• 结果表明，Er:TiO₂中的量子相关特性可通过界面控制实现工程化，从而实现硅基可扩展集成。