RF-free driving of nuclear spins with color centers in silicon carbide

Sintesi Tecnica: Controllo dei nuclei senza RF tramite centri di colore nel carburo di silicio

Definizione del Problema
I dispositivi quantistici basati su centri di colore, come quelli nel carburo di silicio (SiC), utilizzano spesso spin nucleari nelle vicinanze come memorie quantistiche o qubit ausiliari. Tuttavia, la manipolazione convenzionale di questi spin nucleari richiede campi a radiofrequenza (RF) intensi a causa dei loro deboli momenti magnetici. L'introduzione di campi RF aumenta la complessità sperimentale, il consumo di potenza e la deriva termica, in particolare in ambienti a bassa temperatura. Una sfida significativa rimane la ricerca di sistemi in cui sia gli spin elettronici che quelli nucleari possano essere controllati coerentemente utilizzando un'unica sorgente a microonde (MW), eliminando così la necessità di hardware RF aggiuntivo.

Metodologia
Gli autori investigano un centro di divacanza modificato nel 4H-carburo di silicio (SiC), nello specifico il centro PL6. Lo studio utilizza un singolo centro PL6 fortemente accoppiato a uno spin nucleare vicino (identificato come $^{13}$C con una forza di accoppiamento di $\approx 6,7$ MHz). L'apparato sperimentale prevede un sistema di microscopia confocale autocostruito che opera a temperatura ambiente, impiegando un laser a 940 nm per l'eccitazione e impulsi MW per la manipolazione dello spin.

La metodologia centrale si basa sull'inclinazione precisa di un campo magnetico applicato esternamente rispetto all'asse di quantizzazione del difetto. La modellazione teorica tramite la teoria delle perturbazioni di Van Vleck deriva un Hamiltoniana effettiva per lo spin nucleare all'interno del sottospazio dello stato fondamentale $m_s=0$. Questo modello dimostra che un campo magnetico inclinato ($B_\perp \neq 0$) attiva effetti mediati dall'iperfine. Nello specifico, la componente trasversa del campo, combinata con l'accoppiamento iperfine, induce un mescolamento tra i manifold $m_s=0$ e $m_s=\pm1$. Questo mescolamento genera un campo trasverso effettivo che guida la precessione dello spin nucleare senza l'eccitazione diretta tramite RF.

Il protocollo sperimentale prevede:

1. Inizializzazione: Polarizzazione dello spin nucleare tramite un impulso laser e un impulso MW $\pi$ selettivo per lo spin elettronico.
2. Driving (Controllo): Applicazione di impulsi MW per pilotare lo spin elettronico, che simultaneamente manipola lo spin nucleare attraverso il meccanismo di precessione potenziato dall'iperfine.
3. Lettura (Readout): Mappatura dello stato dello spin nucleare nuovamente sullo spin elettronico per la lettura ottica.
4. Caratterizzazione: Esecuzione di sequenze Ramsey e Hahn echo per misurare i tempi di coerenza ($T_2^*$ e $T_2$) e tomografia dello stato quantistico (QST) per verificare le fedeltà dei gate.

Contributi Chiave e Risultati

• Controllo Nucleare senza RF: Gli autori dimostrano il controllo coerente di uno spin nucleare accoppiato utilizzando solo impulsi MW e un campo magnetico inclinato con precisione, eliminando la necessità di sorgenti RF. La precessione dello spin nucleare è guidata dallo spin elettronico tramite effetti iperfini potenziati.
• Controllo ad Alta Fedeltà: Il sistema raggiunge operazioni ad alta fedeltà. Le fedeltà dei gate a singolo qubit sono state misurate al 97% per lo spin elettronico e al 93% per lo spin nucleare. La tomografia dello stato quantistico a due qubit del sistema elettrone-nucleo accoppiato ha prodotto una fedeltà dell'89%.
• Tempi di Coerenza Estesi: Lo spin nucleare funge da robusta memoria quantistica. Il tempo di dephasing puro misurato ($T_2^{*, \text{Nucl}}$) è di $102,2 \pm 7,2$ $\mu$s, e il tempo di coerenza spin-echo ($T_2^{\text{Nucl}}$) è di $151,0 \pm 6,9$ $\mu$s. Questi valori sono rispettivamente circa 30 e 6 volte più lunghi dei corrispondenti tempi di coerenza dello spin elettronico, indicando che la coerenza nucleare è limitata principalmente dal $T_1$ dello spin elettronico.
• Allineamento del Campo Magnetico: La frequenza di precessione e il contrasto dello spin nucleare sono mostrati essere altamente sensibili all'angolo di inclinazione del campo magnetico esterno. Questa sensibilità permette allo spin nucleare stesso di essere utilizzato come sonda per un preciso allineamento del campo magnetico, identificando un "punto ottimale" (sweet spot) dove l'inclinazione massimizza il contrasto dell'oscillazione osservabile mantenendo frequenze di precessione moderate.
• Polarizzazione: Lo studio dimostra che lo spin nucleare può essere polarizzato ad alto grado (fino al 95,5%) attraverso l'applicazione ripetuta della sequenza di inizializzazione, sopprimendo efficacemente le transizioni tra gli stati nucleari.

Significatività
L'articolo sostiene che questo approccio offre una via semplificata e scalabile per future applicazioni quantistiche. Abilitando il controllo degli spin nucleari senza campi RF, il metodo riduce la complessità sperimentale e il consumo di potenza. La capacità di ottenere un controllo ad alta fedeltà e lunghi tempi di coerenza utilizzando un'unica sorgente MW rende il centro PL6 nel SiC un candidato promettente per piattaforme di sensing quantistico, computing e networking, particolarmente quelle che richiedono l'operatività a temperatura ambiente o l'integrazione in strutture fotoniche scalabili. Il lavoro stabilisce che il centro PL6 può eguagliare le prestazioni dei ben studiati centri NV nel diamante, offrendo al contempo i vantaggi della compatibilità CMOS del SiC e dell'emissione nella finestra biologica.