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

Resumo Técnico: Coerência de Spin de Milissegundos em Perovskitas Semicondutoras

Problema e Motivação
Longos tempos de coerência de spin ($T_2$) são um pré-requisito para a implementação de tecnologias quânticas utilizando dispositivos semicondutores. No entanto, alcançar coerência na escala de milissegundos em semicondutores tem sido um desafio significativo, com valores típicos em nanoestruturas limitados à faixa de microssegundos devido a mecanismos de relaxação de spin como o efeito Dyakonov-Perel. Embora a coerência de milissegundos tenha sido demonstrada em estados de defeitos localizados (ex: centros NV em diamante) ou supercondutores, esses sistemas frequentemente carecem de acesso óptico eficiente para manipulação de spin. As perovskitas de haleto de chumbo emergiram como candidatas promissoras devido à sua estrutura de bandas simples, simetria de inversão espacial (que suprime a relaxação Dyakonov-Perel) e fortes propriedades ópticas. Apesar da evidência de precessão de spin coerente na escala de nanossegundos em perovskitas, o tempo de coerência de spin individual $T_2$ em cristais volumosos (bulk) não havia sido determinado, uma vez que as medições são tipicamente dificultadas pelo desfasamento de ensemble ($T_2^*$) causado pela inhomogeneidade do fator $g$ e flutuações de spin nuclear.

Metodologia
Os autores investigaram a dinâmica de spin coerente de elétrons e buracos residentes em monocristais de $FA_{0.95}Cs_{0.05}PbI_3$ em temperaturas criogênicas (1,6 K). O estudo empregou três técnicas ópticas primárias baseadas em rotação de Faraday resolvida no tempo (TRFR):

1. Amplificação de Spin Ressonante (RSA): Utilizada em campos magnéticos fracos para medir o tempo de desfasamento de spin de ensemble $T_2^*$ através da observação da interferência construtiva de modos de precessão de spin sincronizados com o período de repetição do laser ($T_R$).
2. Bloqueio de Modo de Spin (SML): Aplicado em campos magnéticos mais fortes onde $T_2^* < T_R$. Esta técnica baseia-se na sincronização dos modos de precessão de spin por pulsos periódicos de laser, permitindo a observação de um "renascimento" (revival) do sinal de polarização de spin pouco antes da chegada do próximo pulso de bomba. Este efeito permite a medição do tempo de coerência de spin intrínseco $T_2$, distinto do tempo de desfasamento de ensemble $T_2^*$.
3. Ressonância Magnética Detectada Opticamente (ODMR) com Inércia de Spin Ressonante: Utilizada para medir o tempo de relaxação de spin longitudinal ($T_1$) através da detecção da despolarização de spins orientados opticamente sob um campo magnético de radiofrequência (rf).

Os experimentos utilizaram períodos de repetição de laser ajustáveis de 13,2 ns a 1 ms para sondar os limites da coerência de spin.

Resultados Principais

• Desfasamento de Ensemble ($T_2^*$): Em campos magnéticos fracos, o tempo de desfasamento de spin do elétron foi medido em até 21 ns, limitado pela dispersão dos fatores $g$ ($\Delta g_e \approx 0,003$).
• Tempo de Coerência de Spin ($T_2$): Ao empregar o efeito SML, os autores mediram o tempo de coerência de spin intrínseco do elétron. O sinal de SML persistiu conforme o período de repetição do laser era estendido, revelando dois componentes distintos de coerência para os elétrons: um componente mais curto de 20 $\mu$s e um componente dominante, excepcionalmente longo, de 1 ms. Isso representa um dos tempos de $T_2$ mais longos relatados para sistemas de estado sólido sem purificação isotópica ou desacoplamento dinâmico.
• Dinâmica de Buracos: O bloqueio de modo de spin de buracos também foi observado, embora com um tempo de coerência mais curto ($T_2^* \approx 1-2$ ns). O $T_2$ do buraco foi determinado como sendo maior que o período de repetição do laser de 13,2 ns.
• Relaxação Longitudinal ($T_1$): Usando ODMR, os autores mediram tempos de relaxação de spin longitudinal de 0,4 ms para elétrons e 0,15 ms para buracos. O $T_1$ do elétron mostrou uma forte dependência do campo magnético, aumentando de 2 $\mu$s para 0,4 ms conforme o campo aumentava, consistente com portadores localizados interagindo com flutuações de spin nuclear.
• Generalidade do Material: O efeito SML também foi observado em cristais de $MA_{0,4}FA_{0,6}PbI_3$, especificamente para buracos residentes, indicando que o fenômeno não é limitado a uma única composição química.

Significância e Alegações
O artigo reivindica a primeira observação do efeito de Bloqueio de Modo de Spin em semicondutores volumosos, especificamente em cristais de perovskita de haleto de chumbo. A principal significância reside na demonstração de tempos de coerência de spin de escala de milissegundos tanto para elétrons quanto para buracos em um sistema de cristal volumoso a 1,6 K.

Os autores destacam que estes resultados posicionam as perovskitas de haleto de chumbo como uma plataforma única para tecnologias quânticas. Diferentemente de sistemas baseados em defeitos (ex: centros NV), que oferecem longa coerência mas transições ópticas fracas, ou pontos quânticos, que oferecem acesso óptico mas coerência mais curta, as perovskitas combinam:

1. Longa Coerência: Tempos de $T_2$ e $T_1$ de milissegundos comparáveis ou superiores aos de supercondutores e centros de defeitos, alcançados sem purificação isotópica.
2. Controle Óptico Eficiente: Fortes forças de oscilador para transições banda-a-banda, permitindo a geração, detecção e manipulação de estados de spin totalmente ópticas.

Os autores sugerem que estas propriedades poderiam facilitar operações quânticas dentro da janela de milissegundos, potencialmente suportando os requisitos para comunicação quântica (ex: repetidores quânticos) e computação, desde que o sistema possa ser operado em temperaturas criogênicas. Eles observam que melhorias adicionais podem ser possíveis através de protocolos de purificação isotópica ou desacoplamento dinâmico.