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

Sintesi Tecnica: Coerenza quantistica di un minuto abilitata dalla deplezione elettrica del rumore magnetico

Problema
I difetti di spin allo stato solido, come quelli nel carburo di silicio (SiC), sono piattaforme promettenti per la comunicazione e la sensoristica quantistica grazie alle loro interfacce spin-fotone e all'accesso alle memorie di spin nucleare. Tuttavia, la loro utilità è spesso limitata dal rumore elettrico e magnetico incontrollato derivante da difetti e impurità nella matrice ospite. Sebbene le strategie di ingegneria dei materiali — come la purificazione isotopica e l'ottimizzazione della crescita — abbiano ridotto queste fonti di rumore, non riescono a eliminarle completamente. Di conseguenza, gli approcci esistenti spesso si affidano a complessi algoritmi di ingegneria dell'Hamiltoniana (sequenze di disaccoppiamento) per mitigare il rumore residuo, il che può interferire con i protocolli quantistici. Rimane la necessità di metodi che possano sopprimere attivamente sia il rumore elettrico che quello magnetico in situ all'interno di una struttura di dispositivo per raggiungere tempi di coerenza record senza fare affidamento esclusivamente sulla perfezione del materiale.

Metodologia
Gli autori hanno investigato l'impatto del controllo del bias su un diodo p-i-n di 4H-SiC (purificato isotopicamente al 99,85% $^{28}$Si, 99,98% $^{12}$C) contenente difetti di spin di divacanza neutra ($VV^0$) incorporati. L'allestimento sperimentale prevedeva:

• Struttura del dispositivo: Un diodo p-i-n cresciuto su misura con una regione intrinseca contenente il difetto $VV^0$, fabbricato su un substrato di tipo n con un'inclinazione di 4°.
• Sintonizzazione elettrica: Il team ha applicato tensioni di bias al diodo per transire dalla polarizzazione diretta alla polarizzazione inversa, mirando specificamente al regime di deplezione dove il campo elettrico depleta i portatori di carica e le trappole vicino al difetto.
• Caratterizzazione ottica: La fotoluminescenza a risonanza (PLE) è stata utilizzata per misurare gli spostamenti Stark e le larghezze di riga ottiche dell'emissione $VV^0$.
• Misurazioni della coerenza di spin:
  • Spin elettronico: Sono state eseguite sequenze Ramsey e Hahn echo sul difetto di spin elettronico $VV^0$ ($S=1$) per misurare i tassi di dephasing ($T_2^*$ e $T_2$) sotto diverse condizioni di bias. Misurazioni Ramsey a doppio quanto (DQ) sono state utilizzate per isolare i contributi del rumore magnetico.
  • Spin nucleare: Uno spin nucleare $^{29}$Si vicino ($I=1/2$) è stato identificato e controllato coerentemente tramite sequenze di disaccoppiamento dinamico (XY8) sullo spin elettronico. Lo spin nucleare è stato inizializzato, manipolato e letto tramite conversione spin-carica (SCC) sul $VV^0$.
  • Stabilità a lungo termine: Misurazioni Ramsey estese (fino a 22,5 ore) sono state condotte per osservare la dinamica del rumore lento e il rilassamento dello spin nucleare ($T_1$).

Contributi chiave e Risultati

1. Deplezione simultanea del rumore elettrico e magnetico: Lo studio dimostra che operare il diodo p-i-n di SiC nel regime di deplezione a polarizzazione inversa (specificamente a -80 V) riduce significativamente sia le fonti di rumore elettrico che quelle magnetiche.

   • Miglioramento ottico: La larghezza di riga ottica del $VV^0$ si è ristretta da circa 80 MHz a zero bias a 18(1) MHz nel regime di deplezione, avvicinandosi al limite della larghezza di riga naturale.
   • Coerenza dello spin elettronico: Il tempo di coerenza Ramsey dello spin elettronico ($T_2^*$) è aumentato di circa il 50% arrivando a 320(30) $\mu$s, e il tempo Hahn echo ($T_2$) è migliorato del 25% raggiungendo 1,9(1) ms. Misurazioni Ramsey a doppio quanto hanno confermato che questo miglioramento è guidato da una riduzione del rumore magnetico, non solo del rumore elettrico.
   • Origine del rumore magnetico: Gli autori attribuiscono la riduzione del rumore magnetico alla deplezione elettrica delle trappole di carica paramagnetiche (come le impurità di azoto e le vacanze di carbonio) vicino al difetto, convertendole in stati di carica privi di spin.

2. Coerenza nucleare record: Sfruttando l'ambiente a ridotto rumore magnetico e l'effetto "core congelato" (dove lo spin elettronico nello stato $m_s = -1$ sopprime il trasferimento di polarizzazione agli spin vicini), gli autori hanno raggiunto tempi di coerenza senza precedenti per un singolo spin nucleare $^{29}$Si.

   • Rilassamento: Il tempo di rilassamento dello spin nucleare ($T_1$) è raddoppiato nel regime di deplezione.
   • Coerenza Ramsey: Il $T_2^*$ nucleare ha raggiunto 690(40) ms quando lo spin elettronico era preparato in $m_s = -1$.
   • Coerenza Hahn Echo: Ancora più importante, il tempo di coerenza Hahn echo dello spin nucleare ($T_2$) ha registrato un limite inferiore di 105 secondi (con una confidenza del 99%). Questo rappresenta il tempo di coerenza più lungo mai riportato per un singolo spin in qualsiasi piattaforma di qubit (stato solido, atomico o ionico) ad oggi.

3. Legge di scala: Gli autori hanno osservato una relazione di scala in cui l'incremento nel tempo di Ramsey nucleare correla con la radice quadrata dell'incremento nel tempo di rilassamento ($T_2^*/T_2^* \approx \sqrt{T_1/T_1}$), coerentemente con i modelli di bagno di spin microscopici dove dephasing e rilassamento derivano dallo stesso insieme di impurità magnetiche debolmente interagenti.

Significatività
L'articolo sostiene che questi risultati dimostrano l'importanza critica dell'integrazione tra il controllo dei materiali e l'ingegneria dei dispositivi elettronici. Utilizzando una semplice struttura di diodo a semiconduttore per depletare in situ le fonti di rumore, gli autori hanno superato i limiti della sola ottimizzazione della crescita dei materiali. Questo approccio consente:

• Coerenza record: Raggiungere tempi di coerenza di un minuto per gli spin nucleari a stato solido senza la necessità di complesse sequenze di disaccoppiamento dinamico o specifici punti di transizione di orologio (clock transition).
• Scalabilità: Fornire una via per integrare il controllo elettronico classico con l'optoelettronica quantistica su piattaforme SiC su scala wafer, che sono già mature nell'industria dell'elettronica di potenza.
• Networking Quantistico: Stabilire una base per nodi e reti quantistiche altamente coerenti preservando sia le proprietà ottiche che quelle di spin in dispositivi ingegnerizzati, potenzialmente superando la degradazione delle proprietà spesso osservata nelle nanostrutture.

Il lavoro suggerisce che l'ingegneria elettrica attiva dell'ambiente locale è uno strumento potente per migliorare le prestazioni dei qubit a stato solido, offrendo una strada verso l'elaborazione e la sensoristica dell'informazione quantistica ad alta fedeltà.