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

Technische Samenvatting: Milliseconde Spincoherentie in Halfgeleidende Perovskieten

Probleem en Motivatie
Lange spincoherentietijden ($T_2$) zijn een vereiste voor het implementeren van kwantumtechnologieën met behulp van halfgeleidende apparaten. Het bereiken van milliseconde-schaal coherentie in halfgeleiders is echter een belangrijke uitdaging gebleven, waarbij typische waarden in nanostructuren beperkt zijn tot het microsecondebereik vanwege spinrelaxatiemechanismen zoals het Dyakonov-Perel-effect. Hoewel milliseconde-coherentie is aangetoond in gelokaliseerde defecttoestanden (bijv. NV-centra in diamant) of supergeleiders, missen deze systemen vaak efficiënte optische toegang voor spinmanipulatie. Loodhalide-perovskieten zijn naar voren gekomen als veelbelovende kandidaten vanwege hun eenvoudige bandstructuur, ruimtelijke inversiesymmetrie (die Dyakonov-Perel-relaxatie onderdrukt) en sterke optische eigenschappen. Ondanks bewijs van nanoseconde-schaal coherente spinprecessie in perovskieten, was de individuele spincoherentietijd $T_2$ in bulkkristallen nog niet bepaald, aangezien metingen doorgaans worden gehinderd door ensemble-defasering ($T_2^*$) veroorzaakt door $g$-factor inhomogeniteit en kernspinfluctuaties.

Methodologie
De auteurs onderzochten de coherente spindynamica van residentele elektronen en gaten in bulk $FA_{0.95}Cs_{0.05}PbI_3$ enkelkristallen bij cryogene temperaturen (1.6 K). De studie maakte gebruik van drie primaire optische technieken gebaseerd op tijdsopgeloste Faraday-rotatie (TRFR):

1. Resonante Spinversterking (RSA): Gebruikt in zwakke magnetische velden om de ensemble spin-defaseringstijd $T_2^*$ te meten door het observeren van constructieve interferentie van spinprecessiemodi gesynchroniseerd met de laserherhalingsperiode ($T_R$).
2. Spin Mode Locking (SML): Toegepast in sterkere magnetische velden waar $T_2^* < T_R$. Deze techniek berust op de synchronisatie van spinprecessiemodi door periodieke laserpulsen, waardoor een "revival" van het spinpolarisatiesignaal kan worden waargenomen vlak voor de aankomst van de volgende pomp-puls. Dit effect maakt het mogelijk om de intrinsieke spincoherentietijd $T_2$ te meten, die afwijkt van de ensemble-defaseringstijd.
3. Optisch Gedetecteerde Magnetische Resonantie (ODMR) met Resonante Spininertie: Gebruikt om de longitudinale spinrelaxatietijd ($T_1$) te meten door de depolarisatie van optisch georiënteerde spins te detecteren onder een radiofrequentie (rf) magnetisch veld.

De experimenten maakten gebruik van instelbare laserherhalingsperioden variërend van 13.2 ns tot 1 ms om de grenzen van spincoherentie te verkennen.

Belangrijkste Resultaten

• Ensemble Defasering ($T_2^*$): In zwakke magnetische velden werd de elektronische spin-defaseringstijd tot 21 ns gemeten, beperkt door de spreiding van $g$-factoren ($\Delta g_e \approx 0.003$).
• Spin Coherentietijd ($T_2$): Door gebruik te maken van het SML-effect, hebben de auteurs de intrinsieke elektronische spincoherentietijd gemeten. Het SML-signaal bleef persistent terwijl de laserherhalingsperiode werd verlengd, wat een twee verschillende coherentietijden voor elektronen onthulde: een korter component van 20 $\mu$s en een dominante, uitzonderlijk lange component van 1 ms. Dit vertegenwoordigt een van de langste $T_2$-tijden gerapporteerd voor vaste stoffen zonder isotopische zuivering of dynamische ontkoppeling.
• Gatendynamica: Ook gatenspin mode locking werd waargenomen, hoewel met een kortere coherentietijd ($T_2^* \approx 1-2$ ns). De gatentijd $T_2$ werd bepaald als groter dan de laserherhalingsperiode van 13.2 ns.
• Longitudinale Relaxatie ($T_1$): Met behulp van ODMR maten de auteurs longitudinale spinrelaxatietijden van 0.4 ms voor elektronen en 0.15 ms voor gaten. De elektronische $T_1$ vertoonde een sterke afhankelijkheid van het magnetische veld, waarbij deze toenam van 2 $\mu$s naar 0.4 ms naarmate het veld toenam, wat consistent is met gelokaliseerde dragers die interageren met kernspinfluctuaties.
• Materialiteit: Het SML-effect werd ook waargenomen in $MA_{0.4}FA_{0.6}PbI_3$ kristallen, specif kindelijk voor residentele gaten, wat aangeeft dat het fenomeen niet beperkt is tot één enkele chemische samenstelling.

Betekenis en Claims
Het artikel claimt de eerste observatie van het Spin Mode Locking-effect in bulk halfgeleiders, specifiek in loodhalide perovskietkristallen. De primaire betekenis ligt in de demonstratie van milliseconde-schaal spincoherentietijden voor zowel elektronen als gaten in een bulk kristalsysteem bij 1.6 K.

De auteurs benadrukken dat deze resultaten loodhalide perovskieten positioneren als een uniek platform voor kwantumtechnologieën. In tegen tegenstelling tot defect-gebaseerde systemen (bijv. NV-centra) die lange coherentie bieden maar zwakke optische transities, of quantum dots die optische toegang bieden maar kortere coherentie, combineren perovskieten:

1. Lange Coherentie: Milliseconde $T_2$ en $T_1$ tijden die vergelijkbaar zijn met of de waarden overtreffen van supergeleiders en defectcentra, bereikt zonder isotopische zuivering.
2. Efficiënte Optische Controle: Sterke oscillatorsterktes voor band-naar-band transities, wat all-optische generatie, detectie en manipulatie van spintoestanden mogelijk maakt.

De auteurs suggereren dat deze eigenschappen kwantumoperaties binnen het milliseconde-venster kunnen faciliteren, wat potentieel kan ondersteunen aan de eisen voor kwantumcommunicatie (bijv. kwantumrepeaters) en kwantumcomputing, mits het systeem bij cryogene temperaturen kan worden bedreven. Zij merken op dat verdere verbeteringen mogelijk zijn door middel van isotopische zuivering of dynamische ontkoppelingsprotocollen.