[论文解读] Enhanced stability of defect-based qubits in quantum wells

Viktor Ivády, Joel Davidsson+6 more|arXiv (Cornell University)|May 28, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 44被引用 3

一句话总结

本文表明，碳化硅中堆垛层错形成的量子阱可稳定PL6中心（一种双空位缺陷）的电荷态，从而实现在高温下可靠的光学循环以及高保真度自旋初始化与读出。该缺陷的增强稳定性源于电子在量子阱中的局域化，为解决色心在可扩展量子技术中因电荷态不稳定带来的问题提供了基于材料的设计方案。

ABSTRACT

Optically addressable paramagnetic point defects in semiconductors are among the most promising systems for quantum-information technologies. However, the fidelities of spin initialization and readout rely on optical cycling, and charge-state instabilities during this cycle have proven to be an important unresolved problem. In this work, we demonstrate that the quantum well of an extended defect can stabilize the charge state of a point defect. In particular, we establish that the PL6 center in silicon carbide is a divacancy within a stacking fault, and that the quantum well deriving from this stacking fault stabilizes the defect's charge state, leading to its extraordinary performance at elevated temperatures and unusual robustness to optical cycling. The generalization of our results provides a material-based solution to the optical instability of color centers in semiconductors that may facilitate the development of a new class of robust single-photon sources and spin qubits.

研究动机与目标

• 解决半导体中可光学调控的色心存在的关键挑战——电荷态不稳定性。
• 理解4H-SiC中PL6中心卓越的热稳定性和光学稳定性的起源。
• 建立一种通用的设计原则，通过量子阱工程稳定点缺陷中的电荷态。
• 通过缺陷工程实现在高温下高保真度的自旋初始化与读出。

提出的方法

• 识别PL6中心为位于4H-SiC堆垛层错内的双空位缺陷。
• 利用光致发光光谱技术，在不同温度和激发条件下探测缺陷的光学与电子性质。
• 对电子结构和电荷态稳定性进行理论建模，包括堆垛层错形成的量子阱中的电子局域化。
• 分析光学循环性能，评估自旋初始化与读出在多次循环中的稳定性与保真度。
• 对比有无量子阱结构时缺陷的电荷态动力学，以分离其稳定效应。

实验结果

研究问题

• RQ1 PL6中心在4H-SiC中的原子结构是什么？与孤立点缺陷有何不同？
• RQ2 堆垛层错及其伴随的量子阱如何影响缺陷的电荷态稳定性？
• RQ3 量子阱在多大程度上提升了缺陷的光学循环保真度与热稳定性？
• RQ4 该量子阱效应是否可推广至稳定半导体中的其他色心？

主要发现

• PL6中心被确认为嵌入4H-SiC堆垛层错中的双空位缺陷。
• 堆垛层错形成的量子阱可束缚电子，从而稳定缺陷的电荷态，抑制其波动。
• 该缺陷在高温下表现出稳健的光学循环性能，并实现高保真度的自旋初始化与读出，性能超越典型极限。
• 量子阱结构抑制了原本限制半导体中色心性能的电荷态不稳定性。
• 该机制提供了一种可推广的设计原则，可用于在半导体中构建稳定、可光学调控的量子比特。