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

Sintesi Tecnica: Coerenza di Spin al Millisecondo in Perovskiti Semiconduttrici

Problema e Motivazione
Tempi lunghi di coerenza di spin ($T_2$) sono un prerequisito per l'implementazione di tecnologie quantistiche utilizzando dispositivi semiconduttori. Tuttavia, il raggiungimento di una coerenza su scala di millisecondi nei semiconduttori è rimasto una sfida significativa, con valori tipici nelle nanostrutture limitati all'ordine dei microsecondi a causa di meccanismi di rilassamento dello spin come l'effetto Dyakonov-Perel. Sebbene la coerenza millisecondaria sia stata dimostrata in stati di difetto localizzati (ad es. centri NV nel diamante) o superconduttori, questi sistemi spesso mancano di un accesso ottico efficiente per la manipolazione dello spin. Le perovskiti a alogenuro di piombo sono emerse come candidati promettenti grazie alla loro semplice struttura a bande, alla simmetria di inversione spaziale (che sopprime il rilassamento Dyakonov-Perel) e alle loro forti proprietà ottiche. Nonostante le prove di una precessione di spin coerente su scala di nanosecondi nelle perovskiti, il tempo di coerenza di spin individuale $T_2$ nei cristalli bulk non era stato determinato, poiché le misurazioni sono tipicamente ostacolate dal dephasing dell'insieme ($T_2^*$) causato dall'inomogeneità del fattore $g$ e dalle fluttuazioni dello spin nucleare.

Metodologia
Gli autori hanno investigato la dinamica di spin coerente di elettroni e lacune residenti in monocristalli di $FA_{0.95}Cs_{0.05}PbI_3$ a temperature criogeniche (1,6 K). Lo studio ha impiegato tre tecniche ottiche primarie basate sulla rotazione di Faraday risolta nel tempo (TRFR):

1. Amplificazione dello Spin Risonante (RSA): Utilizzata in campi magnetici deboli per misurare il tempo di dephasing dello spin dell'insieme $T_2^*$ osservando l'interferenza costruttiva dei modi di precessione dello spin sincronizzati con il periodo di ripetizione del laser ($T_R$).
2. Spin Mode Locking (SML): Applicata in campi magnetici più forti dove $T_2^* < T_R$. Questa tecnica si basa sulla sincronizzazione dei modi di precessione dello spin mediante impulsi laser periodici, consentendo l'osservazione di un "revival" del segnale di polarizzazione dello spin appena prima dell'arrivo del successivo impulso di pompa. Questo effetto permette di misurare il tempo di coerenza di spin intrinseco $T_2$, distinto dal tempo di dephasing dell'insieme $T_2^*$.
3. Risonanza Magnetica Otticamente Detectata (ODMR) con Inerzia di Spin Risonante: Utilizzata per misurare il tempo di rilassamento dello spin longitudinale ($T_1$) rilevando la depolarizzazione degli spin orientati otticamente sotto un campo magnetico a radiofrequenza (rf).

Gli esperimenti hanno utilizzato periodi di ripetizione del laser variabili da 13,2 ns a 1 ms per sondare i limiti della coerenza di spin.

Risultati Chiave

• Dephasing dell'Insieme ($T_2^*$): In campi magnetici deboli, il tempo di dephasing dello spin elettronico è stato misurato fino a 21 ns, limitato dalla dispersione dei fattori $g$ ($\Delta g_e \approx 0,003$).
• Tempo di Coerenza di Spin ($T_2$): Impiegando l'effetto SML, gli autori hanno misurato il tempo di coerenza di spin elettronico intrinseco. Il segnale SML è persistito all'aumentare del periodo di ripetizione del laser, rivelando due tempi di coerenza distinti per gli elettroni: una componente più breve di 20 $\mu$s e una componente dominante, eccezionalmente lunga, di 1 ms. Questo rappresenta uno dei tempi $T_2$ più lunghi riportati per sistemi allo stato solido senza purificazione isotopica o decoupling dinamico.
• Dinamica delle Lacune: È stato osservato anche il mode locking dello spin delle lacune, sebbene con un tempo di coerenza più breve ($T_2^* \approx 1-2$ ns). Il $T_2$ delle lacune è stato determinato essere superiore al periodo di ripetizione del laser di 13,2 ns.
• Rilassamento Longitudinale ($T_1$): Utilizzando l'ODMR, gli autori hanno misurato tempi di rilassamento dello spin longitudinale di 0,4 ms per gli elettroni e 0,15 ms per le lacune. Il $T_1$ elettronico ha mostrato una forte dipendenza dal campo magnetico, aumentando da 2 $\mu$s a 0,4 ms all'aumentare del campo, in modo coerente con i portatori localizzati che interagiscono con le fluttuazioni dello spin nucleare.
• Generalità del Materiale: L'effetto SML è stato osservato anche in cristalli di $MA_{0.4}FA_{0.6}PbI_3$, specificamente per le lacune residenti, indicando che il fenomeno non è limitato a una singola composizione chimica.

Significatività e Rivendicazioni
L'articolo rivendica la prima osservazione dell'effetto Spin Mode Locking in semiconduttori bulk, specificamente in cristalli di perovskite ad alogenuro di piombo. La principale significatività risiede nella dimostrazione di tempi di coerenza di spin su scala millisecondo sia per elettroni che per lacune in un sistema di cristallo bulk a 1,6 K.

Gli autori sottolineano che questi risultati posizionano le perovskiti ad alogenuro di piombo come una piattaforma unica per le tecnologie quantistiche. A differenza dei sistemi basati su difetti (ad es. centri NV) che offrono una coerenza lunga ma deboli transizioni ottiche, o dei quantum dot che offrono accesso ottico ma coerenza più breve, le perovskiti combinano:

1. Coerenza Lunga: Tempi $T_2$ e $T_1$ millisecondo, comparabili o superiori a quelli in superconduttori e centri di difetto, ottenuti senza purificazione isotopica.
2. Controllo Ottico Efficiente: Forti forze di oscillatore per le transizioni banda-banda, consentendo la generazione, il rilevamento e la manipolazione all-optical degli stati di spin.

Gli autori suggeriscono che queste proprietà potrebbero facilitare operazioni quantistiche entro la finestra del millisecondo, supportando potenzialmente i requisiti per la comunicazione quantistica (ad es. ripetitori quantistici) e il calcolo, a condizione che il sistema possa operare a temperature criogeniche. Notano che ulteriori miglioramenti potrebbero essere possibili attraverso la purificazione isotopica o protocolli di decoupling dinamico.