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

기술 요약: 반도체 페로브스카이트에서의 밀리초 스핀 결맞음(Spin Coherence)

문제 및 동기
긴 스핀 결맞음 시간($T_2$)은 반도체 소자를 이용한 양자 기술을 구현하기 위한 필수 전제 조건이다. 그러나 반도체에서 밀리초 단위의 결맞음을 달나하는 것은 중대한 과제로 남아 왔으며, 나노구조에서의 일반적인 값은 Dyakonov-Perel 효과와 같은 스핀 이완 메커니즘으로 인해 마이크로초 범위에 국한되어 왔다. 밀리초 단위의 결맞음은 국부 결함 상태(예: 다이아몬드의 NV 센터)나 초전도체에서 입증된 바 있으나, 이러한 시스템들은 종종 스핀 조작을 위한 효율적인 광학적 접근성이 부족하다. 납 할로겐화물 페로브스카이트는 단순한 밴드 구조, 공간 반전 대칭성(Dyakonov-Perel 이완을 억제함), 그리고 강력한 광학적 특성 덕분에 유망한 후보로 부상했다. 페로브스카이트에서 나노초 단위의 결맞는 스핀 세차 운동에 대한 증거가 있음에도 불구하고, $g$-인자 불균일성과 핵 스핀 요동에 의한 앙상블 탈위상(ensemble dephasing, $T_2^*$)으로 인해 벌크 결정 내 개별 스핀 결맞음 시간 $T_2$는 결정되지 않은 상태였다.

방법론
저자들은 극저온(1.6 K)에서 벌크 $FA_{0.95}Cs_{0.05}PbI_3$ 단결정 내 잔류 전자와 정공의 결맞는 스핀 역학을 조사하였다. 본 연구는 시분해 파라데이 회전(time-resolved Faraday rotation, TRFR)에 기반한 세 가지 주요 광학 기술을 사용하였다:

1. 공명 스핀 증폭(Resonant Spin Amplification, RSA): 약한 자기장에서 레이저 반복 주기($T_R$)와 동기화된 스핀 세차 모드의 건설적 간섭을 관찰함으로써 앙상블 스핀 탈위상 시간 $T_2^*$를 측정하는 데 사용되었다.
2. 스핀 모드 잠금(Spin Mode Locking, SML): $T_2^* < T_R$인 더 강한 자기장에서 적용되었다. 이 기술은 주기적인 레이저 펄스에 의한 스핀 세차 모드의 동기화에 의존하며, 이를 통해 다음 펌프 펄스가 도착하기 직전에 스핀 편극 신호의 "회복(revival)"을 관찰할 수 있게 한다. 이 효과는 앙상블 탈위상 시간 $T_2^*$와 구별되는 고유 스핀 결맞음 시간 $T_2$의 측정을 가능하게 한다.
3. 공명 스핀 관성(Resonant Spin Inertia)을 이용한 광검출 자기 공명(Optically Detected Magnetic Resonance, ODMR): 무선 주파수(rf) 자기장 하에서 광학적으로 배향된 스핀의 탈편극을 검출하여 종방향 스핀 이완 시간($T_1$)을 측정하는 데 사용되었다.

실험에는 스핀 결맞음의 한계를 탐구하기 위해 13.2 ns에서 1 ms까지 가변 가능한 레이저 반복 주기가 활용되었다.

주요 결과

• 앙상블 탈위상 ($T_2^*$): 약한 자기장에서 전자 스핀 탈위상 시간은 $g$-인자의 퍼짐($\Delta g_e \approx 0.003$)에 의해 제한되어 최대 21 ns로 측정되었다.
• 스핀 결맞음 시간 ($T_2$): SML 효과를 활용하여 고유 전자 스핀 결맞음 시간을 측정하였다. SML 신호는 레이저 반복 주기를 연장함에 따라 지속되었으며, 두 가지 뚜렷한 전자 결맞음 성분을 드러냈다: 20 $\mu$s의 짧은 성분과 지배적이고 이례적으로 긴 1 ms 성분이다. 이는 동위원소 정제나 동적 디커플링 없이 보고된 고체 시스템 중 가장 긴 $T_2$ 시간 중 하나이다.
• 정공 역학: 정공 스핀 모드 잠금 또한 관찰되었으나, 더 짧은 결맞음 시간($T_2^* \approx 1-2$ ns)을 보였다. 정공의 $T_2$는 레이저 반복 주기인 13.2 ns보다 큰 것으로 결정되었다.
• 종방향 이완 ($T_1$): ODMR을 사용하여 전자의 종방향 스핀 이완 시간을 0.4 ms로, 정공의 경우 0.15 ms로 측정하였다. 전자 $T_1$은 자기장에 강하게 의존하였는데, 자기장이 증가함에 따라 2 $\mu$s에서 0.4 ms로 증가하였으며, 이는 국부화된 캐리어와 핵 스핀 요동 사이의 상호작용과 일치한다.
• 재료 범용성: SML 효과는 $MA_{0.4}FA_{0.6}PbI_3$ 결정에서도 관찰되었으며, 이는 이 현상이 단일 화학 조성에 국한되지 않음을 나타낸다.

의의 및 주장
본 논문은 벌크 반도체, 특히 납 할로겐화물 페로브스카이트 결정에서 스핀 모드 잠금 효과를 최초로 관찰했다고 주장한다. 주요 의의는 1.6 K의 벌크 결정 시스템에서 전자와 정공 모두에 대해 밀리초 단위의 스핀 결맞음 시간을 입증했다는 점에 있다.

저자들은 이러한 결과가 납 할로겐화물 페로브스카이트를 독특한 양자 기술 플랫폼으로 자리매김하게 한다고 강조한다. 긴 결맞음을 제공하지만 광학적 전이가 약한 결함 기반 시스템(예: NV 센터)이나, 광학적 접근성은 좋지만 결맞음이 짧은 양자점과 달리, 페로브스카이트는 다음을 결합한다:

1. 긴 결맞음: 동위원소 정제 없이도 초전도체 및 결함 센터와 대등하거나 이를 능가하는 밀리초 단위의 $T_2$ 및 $T_1$ 시간을 달성한다.
2. 효율적인 광학 제어: 밴드 간 전이에 대한 강력한 진동자 강도(oscillator strength)를 가져, 스핀 상태의 전광학적 생성, 검출 및 조작이 가능하다.

저자들은 이러한 특성이 밀리초 창(window) 내에서 양자 연산을 용이하게 하여, 시스템이 극저온에서 작동할 수 있다는 전제하에 양자 통신(예: 양자 중계기) 및 양자 계산의 요구 사항을 지원할 수 있다고 제안한다. 또한 동위원소 정제나 동적 디커플링 프로토콜을 통해 추가적인 개선이 가능할 수 있음을 언급하였다.