[论文解读] Spin coherence of near-surface ionised $^{125}$Te$^+$ donors in silicon

Mantas Šimėnas, James O’Sullivan+9 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2021

Semiconductor Quantum Structures and Devices被引用 1

一句话总结

本研究通过利用表面能带弯曲实现碲受主的电离，并利用3.5 GHz处的零场钟跃迁，在天然硅中实现了近表面125Te+受主的毫秒级自旋相干性。125Te+系统实现了T2 > 1 ms的相干时间，比其他近表面自旋系统长一个数量级，这是由于在钟跃迁处退相干被抑制且对表面缺陷的敏感性降低所致。

ABSTRACT

Impurity spins in crystal matrices are promising components in quantum technologies, particularly if they can maintain their spin properties when close to surfaces and material interfaces. Here, we investigate an attractive candidate for microwave-domain applications, the spins of group-VI Impurity spins in crystal matrices are promising components in quantum technologies, particularly if they can maintain their spin properties when close to surfaces and material interfaces. Here, we investigate an attractive candidate for microwave-domain applications, the spins of group-VI $^{125}$Te$^+$ donors implanted into natural Si at depths as shallow as 20~nm. We show that surface band-bending can be used to ionise such near-surface Te to spin-active Te$^+$ state, and that optical illumination can be used further to control the Te donor charge state. We examine spin activation yield, spin linewidth, relaxation ($T_1$) and coherence times ( two) and show how a zero-field 3.5~GHz `clock transition' extends spin coherence times to over 1~ms, which is about an order of magnitude longer than other near-surface spin systems.

研究动机与目标

• 开发一种在硅中具有长相干时间、适用于量子技术的近表面自旋系统。
• 通过识别对表面诱导退相干不敏感的自旋系统，克服表面缺陷引起的自旋退相干挑战。
• 利用表面能带弯曲和光学控制，在深度低至20 nm处实现125Te+受主的电离。
• 通过利用125Te+的零场钟跃迁，在天然硅中实现毫秒级相干时间。
• 与其他近表面受主进行相干性能比较，并识别主要的退相干机制

提出的方法

• 在10 K下使用环形缝隙谐振器的脉冲电子自旋共振（ESR）测量自旋相干时间（T2）和弛豫时间（T1）。
• 利用费米能级钉扎引起的表面能带弯曲，将近表面硅（20 nm深度）中的125Te受主电离为自旋活性的Te+态。
• 通过红外照射增强浅注入样品中的电离产额，优于共掺杂硼的方法。
• 通过控制微波场方向的回波检测ESR光谱，测量Sz和Sx跃迁。
• 使用CCE-2模拟对T2的方位依赖性进行建模，并评估核偶极相互作用的作用。
• 测量过渡频率对磁场的依赖性，以识别零场钟跃迁（即∂f/∂B0 = 0），并确认其在延长T2中的作用

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过表面能带弯曲在深度低至20 nm处将125Te+受主电离为自旋活性的Te+态？
• RQ2 125Te+中的零场钟跃迁是否能显著延长近表面硅中的自旋相干时间？
• RQ3 与共掺杂硼相比，光学照射对浅层125Te+受主电离产额有何影响？
• RQ4 限制近表面125Te+受主T2的主要退相干机制是什么？该机制在钟跃迁处是否被抑制？
• RQ5 磁场方向相对于硅晶体轴的取向如何影响125Te+系统中的T2？

主要发现

• 在20 nm深度的近表面125Te+受主实现了超过1 ms的自旋相干时间（T2），显著长于其他近表面自旋系统。
• 在3.5 GHz处的零场钟跃迁（其中频率导数∂f/∂B0 = 0）使T2 > 1 ms，证实其通过抑制非均匀展宽在延长相干时间中发挥了关键作用。
• 红外照射可使浅层125Te+受主的电离分数超过共掺杂硼的方法，从而提高自旋激活产额。
• T2值强烈依赖于外加磁场方向相对于硅晶体轴的取向，当B0沿[001]方向对齐时T2最大。
• 实测T2值不受瞬时扩散（ID）或直接翻转（dFF）过程限制，因为模拟预测的极限更长（例如~8 ms），表明其他机制占主导。
• 当B0偏离[001]轴时，相干时间迅速下降，与基于各向异性核偶极相互作用的理论预测一致。