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

Resumo Técnico: Coerência quântica de um minuto possibilitada pela depleção elétrica de ruído magnético

Definição do Problema
Defeitos de spin em estado sólido, como os em carbeto de silício (SiC), são plataformas promissoras para comunicação e sensoriamento quânticos devido às suas interfaces spin-fóton e ao acesso a memórias de spin nuclear. No entanto, sua utilidade é frequentemente limitada pelo ruído elétrico e magnético não controlado proveniente de defeitos e impurezas na matriz hospedeira. Embora estratégias de engenharia de materiais — como purificação isotópica e otimização de crescimento — tenham reduzido essas fontes de ruído, elas não as eliminam totalmente. Consequentemente, abordagens existentes frequentemente dependem de engenharia de Hamiltoniana complexa (sequências de desacoplamento) para mitigar o ruído residual, o que pode interferir em protocolos quânticos. Existe uma necessidade de métodos que possam suprimir ativamente tanto o ruído elétrico quanto o magnético in situ dentro de uma estrutura de dispositivo para alcançar tempos de coerência recordes sem depender exclusivamente da perfeição do material.

Metodologia
Os autores investigaram o impacto do controle de polarização em um diodo p-i-n de 4H-SiC isotopicamente purificado (99,85% $^{28}$Si, 99,98% $^{12}$C) contendo defeitos de spin de divacância neutra ($VV^0$) incorporados. A configuração experimental envolveu:

• Estrutura do Dispositivo: Um diodo p-i-n cultivado sob medida com uma região intrínseca contendo o defeito de spin $VV^0$, fabricado em um substrato do tipo n com desvio de 4°.
• Sintonização Elétrica: A equipe aplicou tensões de polarização ao diodo para transicionar de polarização direta para polarização reversa, visando especificamente o regime de depleção onde o campo elétrico esgota portadores de carga e armadilhas próximas ao defeito.
• Caracterização Óptica: Excitação de fotoluminescência ressonante (PLE) foi usada para medir deslocamentos Stark e larguras de linha ópticas da emissão $VV^0$.
• Medições de Coerência de Spin:
  • Spin Eletrônico: Sequências de Ramsey e Hahn echo foram realizadas no spin eletrônico do $VV^0$ ($S=1$) para medir taxas de desfasagem ($T_2^*$ e $T_2$) sob diferentes condições de polarização. Medições de Ramsey de dupla quantidade (DQ) foram utilizadas para isolar contribuições de ruído magnético.
  • Spin Nuclear: Um spin nuclear $^{29}$Si vizinho ($I=1/2$) foi identificado e controlado coerentemente usando desacoplamento dinâmico (sequências XY8) no spin eletrônico. O spin nuclear foi inicializado, manipulado e lido via conversão spin-carga (SCC) no $VV^0$.
  • Estabilidade de Longo Prazo: Medições de Ramsey estendidas (até 22,5 horas) foram conduzidas para observar a dinâmica de ruído lento e a relaxação do spin nuclear ($T_1$).

Principais Contribuições e Resultados

1. Depleção Simultânea de Ruído Elétrico e Magnético: O estudo demonstra que operar o diodo p-i-n de SiC no regime de depleção de polarização reversa (especificamente em -80 V) reduz significativamente tanto as fontes de ruído elétrico quanto as magnéticas.

   • Melhoria Óptica: A largura de linha óptica do $VV^0$ estreitou de ~80 MHz em polarização zero para 18(1) MHz no regime de depleção, aproximando-se do limite da largura de linha natural.
   • Coerência do Spin Eletrônico: O tempo de coerência de Ramsey do spin eletrônico ($T_2^*$) aumentou aproximadamente 50% para 320(30) $\mu$s, e o tempo de Hahn echo ($T_2$) melhorou 25% para 1,9(1) ms. Medições de Ramsey de dupla quantidade confirmaram que essa melhoria é impulsionada por uma redução no ruído magnético, não apenas no ruído elétrico.
   • Origem do Ruído Magnético: Os autores atribuem a redução do ruído magnético à depleção elétrica de armadilhas de carga paramagnéticas (como impurezas de nitrogênio e vacâncias de carbono) próximas ao defeito, convertendo-as em estados de carga sem spin.

2. Coerência de Spin Nuclear Recorde: Ao aproveitar o ambiente de ruído magnético reduzido e o efeito de "núcleo congelado" (onde o spin eletrônico no estado $m_s = -1$ suprime a transferência de polarização para spins próximos), os autores alcançaram tempos de coerência sem precedentes para um único spin nuclear $^{29}$Si.

   • Relaxação: O tempo de relaxação do spin nuclear ($T_1$) dobrou no regime de depleção.
   • Coerência de Ramsey: O $T_2^*$ do spin nuclear atingiu 690(40) ms quando o spin eletrônico foi preparado em $m_s = -1$.
   • Coerência de Hahn Echo: Notavelmente, o tempo de coerência de Hahn echo do spin nuclear ($T_2$) teve um limite inferior de 105 segundos (com 99% de confiança). Isso representa o tempo de coerência mais longo já relatado para um único spin em qualquer plataforma de qubit (estado sólido, atômica ou iônica) até o momento.

3. Lei de Escala: Os autores observaram uma relação de escala onde o aumento no tempo de Ramsey do spin nuclear correlaciona-se com a raiz quadrada do aumento no tempo de relaxação ($T_2^*/T_2^* \approx \sqrt{T_1/T_1}$), consistente com modelos de banho de spin microscópicos onde o desfasamento e a relaxação derivam do mesmo conjunto de impurezas magnéticas fracamente interagentes.

Significância
O artigo afirma que estes resultados demonstram a importância crítica de integrar o controle de materiais com a engenharia de dispositivos eletrônicos. Ao usar uma estrutura de diodo de SiC para esvaziar in situ as fontes de ruído, os autores superaram os limites da otimização de crescimento de materiais isoladamente. Esta abordagem permite:

• Coerência Recorde: Alcançar tempos de coerência de minutos para spins nucleares de estado sólido sem a necessidade de sequências de desacoplamento dinâmico complexas ou pontos de transição de relógio específicos.
• Escalabilidade: Fornecer um caminho para integrar o controle eletrônico clássico com a optoeletrônica quântica em plataformas de SiC em escala de wafer, que já são maduras na indústria de eletrônica de alta potência.
• Redes Quânticas: Estabelecer uma base para nós e redes quânticas altamente coerentes ao preservar tanto as propriedades ópticas quanto as de spin em dispositivos projetados, potencialmente superando a degradação de propriedades frequentemente observada em nanoestruturas.

O trabalho sugere que a engenharia elétrica ativa do ambiente local é uma ferramenta poderosa para melhorar o desempenho de qubits de estado sólido, oferecendo uma rota para o processamento de informação quântica de alta fidelidade.