[论文解读] Millisecond electron spin coherence time for erbium ions in silicon

Ian R. Berkman, Alexey Lyasota+13 more|arXiv (Cornell University)|Jul 19, 2023

Quantum optics and atomic interactions被引用 7

一句话总结

本研究通过在无核自旋的硅中实现光学探测，展示了掺铒离子在同素纯化²⁸Si中毫秒级的电子自旋相干时间（最高达1.2 ms）。该工作报告了低于70 kHz的均匀光学线宽以及在约11 mT磁场下的长自旋相干时间，确立了Er³⁺:Si作为可扩展量子信息处理中高保真度、电信兼容的自旋-光子接口平台。

ABSTRACT

Spins in silicon that are accessible via a telecom-compatible optical transition are a versatile platform for quantum information processing that can leverage the well-established silicon nanofabrication industry. Key to these applications are long coherence times on the optical and spin transitions to provide a robust system for interfacing photonic and spin qubits. Here, we report telecom-compatible Er3+ sites with long optical and electron spin coherence times, measured within a nuclear spin-free silicon crystal (<0.01% 29Si) using optical detection. We investigate two sites and find 0.1 GHz optical inhomogeneous linewidths and homogeneous linewidths below 70 kHz for both sites. We measure the electron spin coherence time of both sites using optically detected magnetic resonance and observe Hahn echo decay constants of 0.8 ms and 1.2 ms at around 11 mT. These optical and spin properties of Er3+:Si are an important milestone towards using optically accessible spins in silicon for a broad range of quantum information processing applications.

研究动机与目标

• 实现掺铒硅中长电子自旋相干时间，以支持可扩展的量子技术。
• 展示在硅中具有长光学与自旋相干时间的可光学探测Er³⁺离子。
• 利用无核自旋的²⁸Si最小化²⁹Si超精细相互作用引起的退相干。
• 利用电信波长跃迁实现高保真度的自旋-光子接口。
• 建立一种可扩展、与硅兼容的平台，用于具有长寿命量子比特的量子信息处理。

提出的方法

• 使用同素纯化²⁸Si晶体，其中²⁹Si含量低于0.01%，以最小化核自旋引起的退相干。
• 通过光学探测测量光学跃迁线宽和电子自旋相干时间。
• 采用光学探测磁共振（ODMR）测量电子自旋的Hahn自旋回波衰减。
• 通过Er³⁺发射光谱分析测量非均匀和均匀光学线宽。
• 在约11 mT的磁场下进行Hahn自旋回波测量，以确定T₂相干时间。
• 识别并表征了硅晶格中两种具有不同光学与自旋特性的Er³⁺缺陷位点。

实验结果

研究问题

• RQ1 掺铒离子在硅中能否实现超过1 ms的电子自旋相干时间？
• RQ2 Er³⁺离子在²⁸Si中的光学线宽（非均匀与均匀）是多少？
• RQ3 ²⁹Si核自旋的缺失如何影响Er³⁺:Si中的电子自旋相干性？
• RQ4 光学探测磁共振能否分辨半导体基质中Er³⁺离子的长自旋相干时间？
• RQ5 Er³⁺在硅中作为电信兼容的自旋-光子接口性能如何？

主要发现

• 在约11 mT磁场下，通过Hahn自旋回波衰减测得²⁸Si中两种Er³⁺位点的电子自旋相干时间（T₂）分别为0.8 ms和1.2 ms。
• 两种Er³⁺位点的均匀光学线宽均低于70 kHz，分别为66 kHz和52 kHz。
• 非均匀光学线宽分别为148 MHz和72 MHz，表明具有优异的光谱稳定性。
• 光学跃迁为电信兼容，发射位于C波段，支持低损耗光子集成。
• 长自旋相干时间得益于无核自旋的²⁸Si环境，有效抑制了超精细耦合。
• 本工作确立了Er³⁺:Si作为可扩展硅纳米加工环境中长寿命、可光学探测自旋量子比特的可行平台。