Millisecond spin coherence of electrons in semiconducting perovskites revealed by spin mode locking

Resumen Técnico: Coherencia de Espín de Milisegundos en Perovskitas Semiconductoras

Problema y Motivación
Los tiempos largos de coherencia de espín ($T_2$) son un requisito previo para implementar tecnologías cuánticas utilizando dispositivos semiconductores. Sin embargo, lograr una coherencia a escala de milisegundos en semiconductores ha seguido siendo un desafío significativo, con valores típicos en nanoestructuras limitados al rango de los microsegundos debido a mecanismos de relajación de espín como el efecto Dyakonov-Perel. Aunque se ha demostrado coherencia de milisegundos en estados de defectos localizados (p. ej., centros NV en diamante) o superconductores, estos sistemas a menudo carecen de un acceso óptico eficiente para la manipulación de espín. Las perovskitas de haluro de plomo han emergido como candidatas prometedoras debido a su estructura de bandas simple, simetría de inversión espacial (que suprime la relajación Dyakonov-Perel) y fuertes propiedades ópticas. A pesar de la evidencia de precesión de espín coherente a escala de nanosegundos en perovskitas, el tiempo de coherencia de espín individual $T_2$ en cristales masivos (bulk) no se había determinado, ya que las mediciones suelen verse obstaculizadas por la desfasaje de conjunto ($T_2^*$) causado por la inhomogeneidad del factor $g$ y las fluctuaciones del espín nuclear.

Metodología
Los autores investigaron la dinámica de espín coherente de electrones y huecos residentes en monocristales de $FA_{0.95}Cs_{0.05}PbI_3$ a temperaturas criogénicas (1.6 K). El estudio empleó tres técnicas ópticas primarias basadas en la rotación de Faraday resuelta en el tiempo (TRFR):

1. Amplificación de Espín Resonante (RSA): Utilizada en campos magnéticos débiles para medir el tiempo de desfasaje de espín de conjunto $T_2^*$ mediante la observación de la interferencia constructiva de los modos de precesión de espín sincronizados con el periodo de repetición del láser ($T_R$).
2. Bloqueo de Modos de Espín (SML): Aplicado en campos magnéticos más fuertes donde $T_2^* < T_R$. Esta técnica se basa en la sincronización de los modos de precesión de espín mediante pulsos láser periódicos, lo que permite la observación de un "revival" de la señal de polarización de espín justo antes de la llegada del siguiente pulso de bombeo. Este efecto permite la medición del tiempo de coherencia de espín intrínseco $T_2$, distinto del tiempo de desfasaje de conjunto.
3. Resonancia Magnética Detectada Ópticamente (ODMR) con Inercia de Espín Resonante: Utilizada para medir el tiempo de relajación longitudinal de espín ($T_1$) mediante la detección de la despolarización de los espines orientados ópticamente bajo un campo magnético de radiofrecuencia (rf).

Los experimentos utilizaron periodos de repetición de láser sintonizables desde 13.2 ns hasta 1 ms para sondear los límites de la coherencia de espín.

Resultos Clave

• Desfasaje de Conjunto ($T_2^*$): En campos magnéticos débiles, el tiempo de desfasaje de espín electrónico se midió hasta 21 ns, limitado por la dispersión de los factores $g$ ($\Delta g_e \approx 0.003$).
• Tiempo de Coherencia de Espín ($T_2$): Empleando el efecto SML, los autores midieron el tiempo de coherencia de espín intrínseco del electrón. La señal de SML persistió a medida que se extendía el periodo de repetición del láser, revelando dos componentes de coherencia distintos para los electrones: un componente más corto de 20 $\mu$s y un componente dominante y excepcionalmente largo de 1 ms. Esto representa uno de los tiempos $T_2$ más largos reportados para sistemas de estado sólido sin purificación isotópica o desacoplamiento dinámico.
• Dinámica de Huecos: También se observó el bloqueo de modos de espín de huecos, aunque con un tiempo de coherencia más corto ($T_2^* \approx 1-2$ ns). El $T_2$ de los huecos se determinó como mayor que el periodo de repetición del láser de 13.2 ns.
• Relajación Longitudinal ($T_1$): Usando ODMR, los autores midieron tiempos de relajación longitudinal de espín de 0.4 ms para electrones y 0.15 ms para huecos. El $T_1$ del electrón mostró una fuerte dependencia del campo magnético, aumentando de 2 $\mu$s a 0.4 ms conforme el campo aumentaba, lo cual es consistente con portadores localizados interactuando con fluctuaciones de espín nuclear.
• Generalidad del Material: El efecto SML también se observó en cristales de $MA_{0.4}FA_{0.6}PbI_3$, específicamente para huecos residentes, lo que indica que el fenómeno no está limitado a una sola composición química.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo reivindica la primera observación del efecto de Bloqueo de Modos de Espín en semiconductores masivos, específicamente en cristales de perovskita de haluro de plomo. La principal significancia radica en la demostración de tiempos de coherencia de espín a escala de milisegundos tanto para electrones como para huecos en un sistema de cristal masivo a 1.6 K.

Los autores destacan que estos resultados posicionan a las perovskitas de haluro de plomo como una plataforma única para tecnologías cuánticas. A diferencia de los sistemas basados en defectos (p. ej., centros NV) que ofrecen larga coherencia pero transiciones ópticas débiles, o los puntos cuánticos que ofrecen acceso óptico pero coherencia más corta, las perovskitas combinan:

1. Larga Coherencia: Tiempos $T_2$ y $T_1$ de milisegundos comparables o superiores a los de superconductores y centros de defectos, logrados sin purificación isotópica.
2. Control Óptico Eficiente: Fuertes fuerzas de oscilador para las transiciones banda a banda, permitiendo la generación, detección y manipulación de estados de espín mediante métodos puramente ópticos.

Los autores sugieren que estas propiedades podrían facilitar operaciones cuánticas dentro de la ventana de milisegundos, apoyando potencialmente los requisitos para la comunicación cuántica (p. ej., repetidores cuánticos) y la computación, siempre que el sistema pueda operarse a temperaturas criogénicas. Señalan que es posible lograr mejoras adicionales mediante la purificación isotópica o protocolos de desacoplamiento dinámico.