Minute-long quantum coherence enabled by electrical depletion of magnetic noise

Résumé technique : Cohérence quantique d'une minute permise par l'épuisement électrique du bruit magnétique

Énoncé du problème
Les défauts de spin dans les solides, tels que ceux présents dans le carbure de silicium (SiC), sont des plateformes prometteuses pour la communication et la détection quantiques en raison de leurs interfaces spin-photon et de l'accès aux mémoires de spin nucléaire. Cependant, leur utilité est souvent limitée par le bruit électrique et magnétique incontrôlé provenant de défauts et d'impuretés dans la matrice hôte. Bien que les stratégies d'ingénierie des matériaux — telles que la purification isotopique et l'optimisation de la croissance — aient réduit ces sources de bruit, elles ne les éliminent pas totalement. Par conséquent, les approches existantes reposent souvent sur une ingénierie complexe de l'Hamiltonien (séquences de découplage) pour atténuer le bruit résiduel, ce qui peut interférer avec les protocoles quantiques. Il existe un besoin de méthodes capables de supprimer activement le bruit électrique et magnétique in situ au sein d'une structure de dispositif afin d'atteindre des temps de cohérence records sans dépendre uniquement de la perfection des matériaux.

Méthodologie
Les auteurs ont étudié l'impact du contrôle de la polarisation sur une diode p-i-n de 4H-SiC isotopiquement purifiée (99,85 % de $^{28}$Si, 99,98 % de $^{12}$C) contenant des défauts de spin de divacance neutre ($VV^0$) incorporés. Le dispositif expérimental comprenait :

• Structure du dispositif : Une diode p-i-n cultivée sur mesure avec une région intrinsèque contenant le défaut $VV^0$, fabriquée sur un substrat de type n à 4° d'inclinaison.
• Réglage électrique : L'équipe a appliqué des tensions de polarisation à la diode pour passer d'une polarisation directe à une polarisation inverse, ciblant spécifiquement le régime de déplétion (épuisement) où le champ électrique épuise les porteurs de charge et les pièges à proximité du défaut.
• Caractérisation optique : La photoluminescence par excitation résonante (PLE) a été utilisée pour mesurer les décalages Stark et les largeurs de raie optiques de l'émission $VV^0$.
• Mesures de cohérence de spin :
  • Spin électronique : Des séquences Ramsey et Hahn echo ont été réalisées sur le spin électronique du $VV^0$ ($S=1$) pour mesurer les taux de déphasage ($T_2^*$ et $T_2$) sous différentes conditions de polarisation. Des mesures Ramsey à double quanta (DQ) ont été utilisées pour isoler les contributions du bruit magnétique.
  • Spin nucléaire : Un spin nucléaire $^{29}$Si voisin ($I=1/2$) a été identifié et contrôlé de manière cohérente à l'aide de séquences de découplage dynamique (séquences XY8) sur le spin électronique. Le spin nucléaire a été initialisé, manipulé et lu via une conversion spin-charge (SCC) sur le $VV^0$.
  • Stabilité à long terme : Des mesures Ramsey prolongées (jusqu'à 22,5 heures) ont été menées pour observer la dynamique de bruit lente et la relaxation du spin nucléaire ($T_1$).

Principales contributions et résultats

1. Épuisement simultané du bruit électrique et magnétique : L'étude démontre que le fonctionnement de la diode p-i-n de SiC dans le régime de déplétion de polarisation inverse (spécifiquement à -80 V) réduit considérablement les sources de bruit électrique et magnétique.

   • Amélioration optique : La largeur de raie optique du $VV^0$ s'est rétrécie d'environ 80 MHz à polarisation nulle à 18(1) MHz dans le régime de déplétion, approchant la limite de la largeur de raie naturelle.
   • Cohérence du spin électronique : Le temps de cohérence Ramsey du spin électronique ($T_2^*$) a augmenté d'environ 50 % pour atteindre 320(30) $\mu$s, et le temps Hahn echo ($T_2$) s'est amélioré de 25 % pour atteindre 1,9(1) ms. Les mesures Ramsey à double quanta ont confirmé que cette amélioration est pilotée par une réduction du bruit magnétique, et non seulement du bruit électrique.
   • Origine du bruit magnétique : Les auteurs attribuent la réduction du bruit magnétique à l'épuisement électrique des pièges de charge paramagnétiques (tels que les impuretés d'azote et les lacunes de carbone) à proximité du défaut, les convertissant en états de charge sans spin.

2. Cohérence du spin nucléaire record : En tirant parti de l'environnement de bruit magnétique réduit et de l'effet de « cœur gelé » (où le spin électronique dans l'état $m_s = -1$ supprime le transfert de polarisation aux spins voisins), les auteurs ont atteint des temps de cohérence sans précédent pour un spin nucléaire $^{29}$Si unique.

   • Relaxation : Le temps de relaxation du spin nucléaire ($T_1$) a doublé dans le régime de déplétion.
   • Cohérence Ramsey : Le $T_2^*$ du spin nucléaire a atteint 690(40) ms lorsque le spin électronique était préparé dans l'état $m_s = -1$.
   • Cohérence Hahn echo : Plus notablement, le temps de cohérence Hahn echo du spin nucléaire a présenté une limite inférieure de 105 secondes (avec un indice de confiance de 99 %). Cela représente le temps de cohérence le plus long rapporté pour un spin nucléaire unique à travers toute plateforme de qubit (solide, atomique ou ionique) à ce jour.

3. Loi d'échelle : Les auteurs ont observé une relation d'échelle où l'amélioration du temps de Ramsey du spin nucléaire est corrélée à la racine carrée de l'amélioration du temps de relaxation ($T_2^*/T_2^* \approx \sqrt{T_1/T_1}$), ce qui est cohérent avec les modèles de bain de spins microscopiques où le déphasage et la relaxation proviennent du même ensemble d'impuretés magnétiques faiblement interagissantes.

Signification
L'article affirme que ces résultats démontrent l'importance critique de l'intégration du contrôle des matériaux avec l'ingénierie des dispositifs électroniques. En utilisant une simple structure de diode semi-conductrice pour épuiser in situ les sources de bruit, les auteurs ont surpassé les limites de l'optimisation de la croissance des matériaux seules. Cette approche permet :

• Cohérence record : Atteindre des temps de cohérence de l'ordre de la minute pour les spins nucléaires solides sans nécesser de séquences de découplage dynamique complexes ou de points de transition d'horloge spécifiques.
• Évolutivité : Fournir une voie pour intégrer le contrôle électronique classique avec l'optoélectronique quantique sur des plateformes SiC à l'échelle de la tranche (wafer), qui sont déjà matures dans l'industrie de l'électronique de haute puissance.
• Réseautage quantique : Établir une base pour des nœuds et des réseaux quantiques hautement cohérents en préservant à la fois les propriétés optiques et de spin dans des dispositifs ingénierés, permettant potentiellement de surmonter la dégradation des propriétés souvent observée dans les nanostructures.

Ce travail suggère que l'ingénierie électrique active de l'environnement local est un outil puissant pour améliorer les performances des qubits solides, offrant une voie vers un traitement de l'information quantique de haute fidélité.