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

Technische Samenvatting: Minuutlange kwantumcoherentie mogelijk gemaakt door elektrische depletie van magnetische ruis

Probleemstelling
Vastestof-spindefecten, zoals die in siliciumcarbide (SiC), zijn veelbelovende platforms voor kwantumcommunicatie en -sensoren vanwege hun spin-foton interfaces en toegang tot kernspingeheugens. De bruikbaarheid ervan wordt echter vaak beperkt door ongecontroleerde elektrische en magnetische ruis afkomstig van defecten en onzuiverheden in de gastmatrix. Hoewel strategieën voor materiaalkundige optimalisatie — zoals isotopische zuivering en groeiverfijning — deze ruisbronnen hebben verminderd, hebben zij deze niet volledig geëlimineerd. Bijgevolg vertrouwen bestaande benaderingen vaak op complexe Hamiltonian-engineering (ontkoppelingssequenties) om residuele ruis te mitigeren, wat de kwantumprotocollen kan verstoren. Er blijft een behoefte aan methoden die zowel elektrische als magnetische ruis in situ binnen een apparaatstructuur actief kunnen onderdrukken om recordbrekende coherentietijden te bereiken zonder uitsluitend te vertrouwen op materiële perfectie.

Methodologie
De auteurs onderzochten de impact van bias-controle op een isotopisch gezuiverde (99,85% $^{28}$Si, 99,98% $^{12}$C) 4H-SiC p-i-n diode die ingebedde neutrale divacantie ($VV^0$) spindefecten bevat. De experimentele opstelling omvatte:

• Apparaatstructuur: Een op maat gemaakte p-i-n diode met een intrinsiek gebied dat het $VV^0$ defect bevat, gefabriceerd op een 4° off-axis n-type substraat.
• Elektrische afstemming: Het team paste bias-spanningen toe op de diode om over te gaan van voorwaartse bias naar reverse bias, specifiek gericht op het depletie-regime waar het elektrische veld ladingsdragers en vallen nabij het defect depletieert.
• Optische karakterisering: Resonante fotoluminescentie-excitatie (PLE) werd gebruikt om Stark-verschuivingen en optische lijnbreedtes van de $VV^0$-emissie te meten.
• Spin-coherentie metingen:
  • Elektronspin: Ramsey- en Hahn-echo-sequenties werden uitgevoerd op de $VV^0$ elektronspin ($S=1$) om de dephasering-snelheden ($T_2^*$ en $T_2$) onder verschillende bias-condities te meten. Double-quantum (DQ) Ramsey-metingen werden gebruikt om bijdragen van magnetische ruis te isoleren.
  • Kernspin: Een naburige $^{29}$Si kernspin ($I=1/2$) werd geïdentificeerd en coherent gecontroleerd met behulp van dynamische ontkoppeling (XY8-sequenties) op de elektronspin. De kernspin werd geïnitialiseerd, gemanipuleerd en uitgelezen via spin-naar-lading conversie (SCC) op de $VV^0$.
  • Langetermijnstabiliteit: Uitgebreide Ramsey-metingen (tot 22,5 uur) werden uitgevoerd om trage ruisdynamica en kernspin-relaxatie ($T_1$) te observeren.

Belangrijkste bijdragen en resultaten

1. Gelijktijdige depletie van elektrische en magnetische ruis: De studie toont aan dat het werken van de SiC p-i-n diode in het reverse-bias depletie-regime (specifiek bij -80 V) zowel elektrische als magnetische ruisbronnen aanzienlijk vermindert.

   • Optische verbetering: De optische lijnbreedte van de $VV^0$ versmalde van ~80 MHz bij nul-bias naar 18(1) MHz in het depletie-regime, waarbij de natuurlijke lijnbreedte-limiet werd benaderd.
   • Elektronspin-coherentie: De $VV^0$ elektronspin Ramsey-coherentietijd ($T_2^*$) nam met ongeveer 50% toe naar 320(30) $\mu$s, en de Hahn-echo tijd ($T_2$) verbeterde met 25% naar 1,9(1) ms. Double-quantum Ramsey-metingen bevestigden dat deze verbetering wordt gedreven door een reductie in magnetische ruis, en niet alleen in elektrische ruis.
   • Oorsprong van magnetische ruis: De auteurs schrijven de reductie van magnetische ruis toe aan de elektrische depletie van paramagnetische ladingsvallen (zoals stikstofonzuiverheden en koolstofvacatures) nabij het defect, waardoor deze worden omgezet in spinloze ladingstoestanden.

2. Recordbrekende kernspin-coherentie: Door gebruik te maken van de verminderde magnetische ruisomgeving en het "frozen core"-effect (waarbij de elektronspin in de $m_s = -1$ staat de polarisatieoverdracht naar nabijgelegen spins onderdrukt), bereikten de auteurs ongekende coherentietijden voor een enkele $^{29}$Si kernspin.

   • Relaxatie: De kernspin relaxatietijd ($T_1$) verdubbelde in het depletie-regime.
   • Ramsey-coherentie: De kernspin $T_2^*$ bereikte 690(40) ms wanneer de elektronspin in $m_s = -1$ werd voorbereid.
   • Hahn-echo coherentie: Meest opmerkelijk was dat de kernspin Hahn-echo coherentietijd ($T_2$) een ondergrens had van 105 seconden (met 99% betrouwbaarheid). Dit vertegenwoordigt de langste gerapporteerde coherentietijd voor een enkele spin over alle bekende qubit-platformen (vastestof, atomair of ionisch) tot nu toe.

3. Schaalwet: De auteurs observeerden een schaalrelatie waarbij de verbetering in de kernspin Ramsey-tijd correleert met de vierkantswortel van de verbetering in de relaxatietijd ($T_2^*/T_2^* \approx \sqrt{T_1/T_1}$), wat consistent is met microscopische spin-bad modellen waarbij dephasering en relaxatie voortkomen uit dezelfde verzameling zwak interagerende magnetische onzuiverheden.

Significantie
Het artikel beweert dat deze resultaten de cruciale belangrijkheid aantonen van de integratie van materiaalkundige controle met elektronische apparaattechniek. Door een eenvoudige halfgeleiderdiode-structuur te gebruiken om ruisbronnen in situ te depletieëren, hebben de auteurs de limieten van louter materiaalgroei-optimalisatie overstegen. Deze aanpak maakt het volgende mogelijk:

• Recordcoherentie: Het bereiken van minuutlange coherentietijden voor vastestof-kernspins zonder de noodzaak van complexe dynamische ontkoppelingssequenties of specifieke kloktransitiepunten.
• Schaalbaarheid: Het bieden van een pad om klassieke elektronische controle te integreren met kwantum-opto-elektronica op wafer-schaal SiC-platforms, die al volwassen zijn in de hoogvermogen-elektronica-industrie.
• Kwantumnetwerken: Het leggen van een fundament voor hoog-coherente kwantumnodes en -netwerken door zowel optische als spin-eigenschappen te behouden in technisch vervaardigde apparaten, wat potentieel de degradatie van eigenschappen die vaak in nanostructuren wordt waargenomen, kan overwinnen.

Het werk suggereert dat actieve elektrische engineering van de lokale omgeving een krachtig instrument is voor het verbeteren van de prestaties van vastestof-qubits, wat een route biedt naar hoogwaardige kwantuminformatieverwerking en -sensoren.