Coherent Optical Control of a Single Donor Electron Spin

In de zoektocht naar de bouw van een kwantuminternet zoeken wetenschappers naar een manier om informatie in licht en materie op te slaan. Stel je een netwerk voor waarbij data reist als fotonen, de deeltjes licht, maar bij specifieke knooppunten moet pauzeren om verwerkt of onthouden te worden. Om dit te laten werken, hebben deze knooppunten een geheugen nodig dat een kwantumtoestand lang genoeg kan vasthouden om nuttig te zijn, maar tegelijkertijd snel genoeg met licht kan interageren om informatie te verzenden en te ontvangen. Een veelbelovende kandidaat voor dit geheugen is de spin van een enkel elektron. Spin is een intrinsieke eigenschap van een elektron, die zich gedraagt als een klein, onzichtbaar magneetje dat in verschillende richtingen kan wijzen. Als wetenschappers deze richting met licht kunnen controleren, kunnen ze een brug slaan tussen stationair kwantumgeheugen en vliegende kwantuminformatie. Het bereiken van deze controle in een vast materiaal is echter moeilijk. De omgeving is vaak te luidruchtig, waardoor de delicate kwantumtoestand inklapt voordat deze gebruikt kan worden. Onderzoekers zoeken al lang naar een materiaal dat heldere, duidelijke optische signalen biedt terwijl het de elektronenspin beschermt tegen de chaos van de omliggende atomen.

Een team van onderzoekers heeft nu een belangrijke stap voorwaarts gezet door een enkele elektronenspin te temmen die gevangen zit in een kristal van zinkselenide. Ze concentreerden zich op een specif kind type onzuiverheid, een chlooratoom ingebed in het materiaal, dat fungeert als een val voor een enkel elektron. Deze opstelling creëert een systeem waarbij het elektron aan het chlooratoom gebonden is, wat een stabiele structuur vormt die met lasers gemanipuleerd kan worden. De onderzoekers lieten succesvol zien dat ze licht kunnen gebruiken om de elektronenspin voor te bereiden, de richting ervan met extreme snelheid kunnen controleren en de uiteindelijke toestand kunnen uitlezen. Deze prestatie is opmerkelijk omdat het het vermogen combineert om het elektron duidelijk te zien met het vermogen om het coherent te controleren, wat betekent dat ze de spin kunnen sturen zonder de delicate kwantuminformatie die het draagt te verliezen.

De reis begon met de creatie van een minuscuul apparaat. De wetenschappers groeiden een dunne laag zinkselenide, een halfgeleidermateriaal, tussen lagen van een vergelijkbaar materiaal genaamd zinkmagnesiumselenide. Binnen deze dunne laag introduceerden ze chlooratomen met een zo lage dichtheid dat er statistisch gezien slechts één of twee zouden verschijnen in een kleine kolom die ze uit het materiaal hadden uitgehouwen. Deze kolom, gevormd als een paal met een lens erop, was ontworpen om het zwakke licht te verzamelen dat wordt uitgezonden door de enkele elektron gevangen op de chloorlocatie. Wanneer ze een laser op het monster schijnen, observeerden ze een specifieke kleur licht afkomstig van een enkel chlooratoom, wat bevestigde dat ze naar één geïsoleerd systeem keken. Door een magnetisch veld toe te passen, splitsten ze de energieniveaus van de elektronenspin, waardoor twee onderscheidende toestanden ontstonden die afzonderlijk met licht aangesproken konden worden.

Om te bewijzen dat ze de spin konden controleren, moest het team de spin eerst leren instellen op een bekende startpositie. Ze gebruikten een proces genaamd optische pomptechniek, waarbij ze een laser gebruikten die is afgestemd op een specifieke frequentie die het elektron alleen zou exciteren als het zich in een specifieke spin-toestand bevond. Terwijl het elektron het licht absorbeerde en daarna weer uitzond, had het een kans om terug te vallen in een van de twee spin-toestanden. Door deze cyclus te herhalen, filterden ze de elektronen effectief, waardoor alleen die achterbleven in de gewenste toestand. Zodra de spin was voorbereid, maten ze hoe lang deze daar bleef. Ze ontdekten dat de spin ongeveer 18,5 microseconden in zijn toestand kon blijven voordat iets de toestand deed veranderen. Cruciaal was dat ze bepaalden dat deze verandering niet kwam door de spin die uit zichzelf omklapte, wat een fundamentele limiet zou zijn, maar doordat het elektron af en toe volledig uit de chloorval ontsnapte. Dit onderscheid is essentieel omdat het suggereert dat als ze het elektron kunnen stoppen met ontsnappen, bijvoorbeeld door de elektrische velden in het materiaal aan te passen, de spin veel langer zou kunnen blijven, potentieel voor milliseconden.

Met de spin geïnitialiseerd, gingen de onderzoekers over naar het meest uitdagende deel: het sturen ervan met licht. In plaats van de trage, constante lasers die gebruikt werden voor de voorbereiding, vuurden ze extreem korte lichtpulsen af die slechts enkele biljoontjes van een seconde duren. Deze pulsen waren afgestemd op een frequentie die iets verschilt van de natuurlijke resonantie van het elektron, een techniek waarmee het licht de spin kan beïnvloeden zonder het elektron daadwerkelijk naar een hoger energieniveau te exciteren. Door het vermogen van deze pulsen aan te passen, konden ze de spin laten roteren. Ze demonstreerden dit door een patroon van oscillaties te creëren, bekend als Rabi-oscillaties, waarbij de spin op een voorspelbaar ritme heen en weer klapte tussen de twee toestanden. Dit bewees dat ze de spin met dezelfde precisie als een draaiknop konden controleren, om hem naar elke gewenste hoek te draaien.

Om te bevestigen dat deze controle werkelijk kwantummechanisch en coherent was, voerden ze een complexere test uit, genaamd Ramsey-interferentie. In dit experiment pasten ze twee korte laserpulsen toe, gescheiden door een korte pauze. Tijdens de pauze werd de spin aan zijn lot overgelaten om vrij te draaien, zoals een gyroscoop, onder invloed van het magnetisch veld. Wanneer de tweede puls arriveerde, onthulde deze hoeveel de spin tijdens die pauze had gedraaid. De resultaten toonden een duidelijk golfachtig patroon, wat bewees dat de spin zijn kwantumgeheugen gedurende het proces behield. Ze maten hoe lang dit geheugen duurde en vonden een coherentietijd van ongeveer 22 nanoseconden. Hoewel dit ongelooflijk snel lijkt, is het een significante duur voor een elektron in een vast materiaal, en het kwam overeen met theoretische voorspellingen gebaseerd op de interactie tussen het elektron en de omliggende atoomkernen.

Ten slotte verkenden het team de diepere structuur van dit systeem door te kijken naar de interactie tussen het elektron en de kern van het chlooratoom zelf. De chloorkern heeft zijn eigen spin, die werkt als een klein magneetje dat het elektron beïnvloedt. Door het vermogen van hun laserpulsen te verhogen, waren ze in staat de subtiele effecten van deze interactie te onderscheiden. In plaats van één enkel signaal te zien, observeerden ze vier duidelijke kenmerken, die overeenkomen met de verschillende mogelijke oriëntaties van de chloorkern. Deze observatie onthulde dat de kern ook als geheugen gebruikt zou kunnen worden, wat de opslagtijd potentieel nog verder zou verlengen. Het vermogen om deze hyperfine-interacties te zien en te controleren suggereert dat dit enkele atoom als een meerlagig kwantumgeheugen kan dienen, waarbij het elektron fungeert als een snelle processor en de kern als een opslagstation voor de lange termijn.

Dit werk vestigt een nieuw platform voor kwantumtechnologie, waarbij wordt aangetoond dat geïsoleerde donoratomen in zinkselenide robuuste, optisch actieve qubits kunnen dienen. De onderzoekers hebben bewezen dat ze een enkele elektronenspin met hoge getrouwheid kunnen initialiseren, manipuleren en uitlezen, terwijl ze de coherentie behouden die nodig is voor kwantumnetwerken. Hoewel er uitdagingen blijven bestaan, zoals het voorkomen dat het elektron uit de val ontsnapt en het verlengen van de coherentietijd door materiaalzuivering, is de weg vooruit nu duidelijk. Door efficiënte optische toegang te combineren met een langdurig spingeheugen, bieden deze enkele donoren een veelbelovende route naar schaalbare kwantuminformatiesystemen, waarbij een enkel atoom in een kristal wordt omgevormd tot een functioneel knooppunt voor het toekomstige kwantuminternet.