RF-free driving of nuclear spins with color centers in silicon carbide

Resumo Técnico: Direcionamento de spins nucleares livre de RF com centros de cor em carbeto de silício

Definição do Problema
Dispositivos quânticos baseados em centros de cor, como os presentes no carbeto de silício (SiC), frequentemente utilizam spins nucleares próximos como memórias quânticas ou qubits auxiliares. No entanto, a manipulação convencional desses spins nucleares requer campos de radiofrequência (RF) fortes devido aos seus fracos momentos magnéticos. A introdução de campos de RF aumenta a complexidade experimental, o consumo de energia e o desvio térmico, particularmente em ambientes de baixa temperatura. Um desafio significativo permanece em encontrar sistemas onde tanto o spin eletrônico quanto o nuclear possam ser controlados coerentemente usando uma única fonte de micro-ondas (MW), eliminando assim a necessidade de hardware de RF adicional.

Metodologia
Os autores investigam um centro de divacância modificado em 4H-carbeto de silício (SiC), especificamente o centro PL6. O estudo utiliza um centro PL6 único fortemente acoplado a um spin nuclear próximo (identificado como $^{13}$C com uma força de acoplamento de $\approx 6,7$ MHz). A configuração experimental envolve um sistema de microscopia confocal construído internamente operando à temperatura ambiente, empregando um laser de 940 nm para excitação e pulsos de MW para manipulação de spin.

A metodologia central baseia-se na inclinação precisa de um campo magnético aplicado externamente em relação ao eixo de quantização do defeito. A modelagem teórica utilizando a teoria de perturbação de Van Vleck deriva um Hamiltoniano efetivo para o spin nuclear dentro do subespaço de estado fundamental $m_s=0$. Este modelo demonstra que um campo magnético inclinado ($B_\perp \neq 0$) ativa efeitos mediados pelo hiperfinamento. Especificamente, a componente transversal do campo, combinada com o acoplamento hiperfino, induz uma mistura entre os manifolds $m_s=0$ e $m_s=\pm1$. Esta mistura gera um campo transversal efetivo que direciona a precessão do spin nuclear sem a necessidade de excitação direta por RF.

O protocolo experimental envolve:

1. Inicialização: Polarização do spin nuclear via um pulso de laser e um pulso $\pi$ de MW seletivo de spin no spin eletrônico.
2. Direcionamento (Driving): Aplicação de pulsos de MW para direcionar o spin eletrônico, o qual simultaneamente manipula o spin nuclear através do mecanismo de precessão com hiperfinamento intensificado.
3. Leitura (Readout): Mapeamento do estado do spin nuclear de volta para o spin eletrônico para leitura óptica.
4. Caracterização: Realização de sequências de Ramsey e Hahn echo para medir tempos de coerência ($T_2^*$ e $T_2$) e tomografia de estado quântico (QST) para verificar fidelidades de porta.

Principais Contribuições e Resultados

• Controle Nuclear Livre de RF: Os autores demonstram o controle coerente de um spin nuclear acoplado usando apenas pulsos de MW e um campo magnético precisamente inclinado, eliminando a necessidade de fontes de RF. A precessão do spin nuclear é direcionada pelo spin eletrônico via efeitos de hiperfinamento intensificado.
• Controle de Alta Fidelidade: O sistema alcança operações de alta fidelidade. As fidelidades de porta de um único qubit foram medidas em 97% para o spin eletrônico e 93% para o spin nuclear. A tomografia de estado quântico de dois qubits do sistema eletrônico-nuclear acoplado resultou em uma fidelidade de 89%.
• Tempos de Coerência Estendidos: O spin nuclear serve como uma memória quântica robusta. O tempo de desfasagem pura medido ($T_2^{*, \text{Nucl}}$) é de $102,2 \pm 7,2$ $\mu$s, e o tempo de coerência de spin-echo ($T_2^{\text{Nucl}}$) é de $151,0 \pm 6,9$ $\mu$s. Estes valores são aproximadamente 30 e 6 vezes maiores, respectivamente, do que os tempos de coerência correspondentes do spin eletrônico, indicando que a coerência nuclear é limitada primariamente pelo $T_1$ do spin eletrônico.
• Alinhamento do Campo Magnético: A frequência de precessão e o contraste do spin nuclear mostram-se altamente sensíveis ao ângulo de inclinação do campo magnético externo. Esta sensibilidade permite que o próprio spin nuclear seja usado como uma sonda para o alinhamento preciso do campo magnético, identificando um "ponto ideal" (sweet spot) onde a inclinação maximiza o contraste da oscilação observável enquanto mantém frequências de precessão moderadas.
• Polarização: O estudo demonstra que o spin nuclear pode ser polarizado em um alto grau (até 95,5%) através da aplicação repetida da sequência de inicialização, suprimindo efetivamente as transições entre estados nucleares.

Significância
O artigo afirma que esta abordagem oferece uma rota simplificada e escalável para futuras aplicações quânticas. Ao permitir o controle de spins nucleares sem campos de RF, o método reduz a complexidade experimental e o consumo de energia. A capacidade de alcançar controle de alta fidelidade e longos tempos de coerência usando uma única fonte de MW torna o centro PL6 em SiC um candidato promissor para plataformas de sensoriamento quântico, computação e redes, particularmente aquelas que exigem operação em temperatura ambiente ou integração em estruturas fotônicas escaláveis. O trabalho estabelece que o centro PL6 pode igualar o desempenho dos amplamente estudados centros NV de diamante, oferecendo as vantagens da compatibilidade CMOS do SiC e da emissão na janela biológica.