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

技术摘要：半导体钙钛矿中的毫秒级自旋相干性

问题与动机
长自旋相干时间（$T_2$）是利用半导体器件实现量子技术的先决条件。然而，在半导体中实现毫秒级的相干性一直是一个重大挑战，由于诸如 Dyakonov-Perel 效应等自旋弛豫机制，纳米结构中的典型值通常限制在微秒量级。虽然在局域缺陷态（例如金刚石中的 NV 色心）或超导体中已实现了毫秒级相干性，但这些系统通常缺乏用于自旋操控的高效光学访问途径。铅卤钙钛矿因其简单的能带结构、空间反演对称性（这抑制了 Dyakonov-Perel 弛豫）以及强大的光学特性，已成为极具前景的候选材料。尽管已有证据表明钙钛矿中存在纳秒级的相干自旋进动，但在块体晶体中单个自旋的相干时间 $T_2$ 尚未被确定，因为测量通常受到由 $g$ 因子不均匀性和核自旋涨落引起的系综退相干（$T_2^*$）的阻碍。

方法论
作者研究了在低温（1.6 K）下块体 $FA_{0.95}Cs_{0.05}PbI_3$ 单晶中驻留电子和空穴的相干自旋动力学。该研究采用了三种基于时间分辨法拉第旋转（TRFR）的主要光学技术：

1. 共振自旋放大（RSA）： 用于弱磁场下的测量，通过观察与激光重复周期（$T_R$）同步的自旋进动模式的相长干涉，来测量系综自旋退相干时间 $T_2^*$。
2. 自旋锁模（SML）： 应用于更强的磁场环境，此时 $T_2^* < T_R$。该技术依赖于由周期性激光脉冲引起的自旋进动模式的同步化，从而允许观察到紧接在下一个泵浦脉冲到达之前的自旋极化信号“复现”现象。这种效应使得测量本质的自旋相干时间 $T_2$ 成为可能，该时间有别于系综退相干时间。
3. 具有共振自旋惯性的光检测磁共振（ODMR）： 用于通过检测在射频（rf）磁场作用下光学定向自旋的去极化，来测量纵向自旋弛豫时间（$T_1$）。

实验利用了可调谐的激光重复周期（从 13.2 ns 到 1 ms 不等）来探测自旋相干性的极限。

关键结果

• 系综退相干（$T_2^*$）： 在弱磁场中，测得电子自旋退相干时间最高为 21 ns，受限于 $g$ 因子的分布（$\Delta g_e \approx 0.003$）。
• 自旋相干时间（$T_2$）： 通过采用 SML 效应，作者测量了本质电子自旋相干时间。随着激光重复周期的延长，SML 信号持续存在，揭示了两种截然不同的电子相干时间：一个较短的分量为 20 $\mu$s，以及一个占主导地位的、异常长的分量，达到 1 ms。这代表了在无需同位素纯化或动力学解耦的情况下，所报道的最长固体系统 $T_2$ 时间之一。
• 空穴动力学： 研究人员也观察到了空穴自旋锁模现象，尽管其相干时间较短（$T_2^* \approx 1\text{--}2$ ns）。空穴的 $T_2$ 被确定大于 13.2 ns 的激光重复周期。
• 纵向弛豫（$T_1$）： 利用 ODMR，作者测量了电子的纵向自旋弛豫时间为 0.4 ms，空穴为 0.15 ms。电子的 $T_1$ 对磁场表现出强烈的依赖性，随着磁场增加，从 2 $\mu$s 增加到 0.4 ms，这与局域载流子与核自旋涨落的相互作用一致。
• 材料普适性： SML 效应也在 $MA_{0.4}FA_{0.6}PbI_3$ 晶体中被观察到，特别是针对驻留空穴，表明该现象并不局限于单一的化学成分。

意义与主张
本文声称首次在块体半导体（具体为铅卤钙钛矿晶体）中观察到了自旋锁模效应。其主要意义在于证明了在 1.6 K 的块体晶体系统中，电子和空穴均具有毫秒级的自旋相干时间。

作者强调，这些结果使铅卤钙钛矿成为独特的量子技术平台。不同于提供长相干性但光学跃迁较弱的缺陷系统（如 NV 色心），也不同于提供光学访问但相干时间较短的量子点，钙钛矿结合了：

1. 长相干性： 毫秒级的 $T_2$ 和 $T_1$ 时间，可与超导体和缺陷中心媲美甚至超过它们，且无需同位素纯化。
2. 高效的光学控制： 具有强烈的带间跃迁振荡强度，能够实现自旋态的全光学生成、检测和操控。

作者指出，这些特性可以促进在毫秒窗口内的量子操作，有望支持量子通信（如量子中继器）和量子计算的需求，前提是系统可以在低温下运行。他们指出，通过同位素纯化或动力学解耦协议，未来可能会有进一步的提升空间。