Nanojordskælv styrer spincentre i siliciumcarbid

Forskere fra Paul-Drude-Institut i Berlin, Helmholtz-Zentrum i Dresden og Ioffe Instituttet i St. Petersborg har demonstreret brugen af ​​elastiske vibrationer til at manipulere spin-tilstandene af optisk aktive farvecentre i SiC ved stuetemperatur. De viser en ikke-triviel afhængighed af de akustisk inducerede spin-overgange på spin-kvantiseringsretningen, hvilket kan føre til chirale spin-akustiske resonanser. Disse resultater er vigtige for anvendelser i fremtidige kvanteelektroniske enheder og er for nylig blevet offentliggjort i Fysiske anmeldelsesbreve .

Farvecentre i faste stoffer er optisk aktive krystallografiske defekter, der indeholder en eller flere fangede elektroner. Af særlig interesse for applikationer inden for kvanteteknologier er optisk adresserbare farvecentre, det er, gitterdefekter, hvis elektroniske spin-tilstande selektivt kan initialiseres og udlæses ved hjælp af lys. Ud over initialisering og udlæsning, det er også nødvendigt at udvikle effektive metoder til at manipulere deres spin-tilstande, og dermed de oplysninger, der er lagret i dem. Selvom dette typisk realiseres ved at anvende mikrobølgefelter, en alternativ og mere effektiv metode kunne være brugen af ​​mekaniske vibrationer. Blandt de forskellige materialer til implementering af sådanne stammebaserede teknologier, SiC tiltrækker sig stigende opmærksomhed som et robust materiale til nano-elektromekaniske systemer med en ultrahøj følsomhed over for vibrationer, der også er vært for meget sammenhængende optisk aktive farvecentre.

I et nyligt værk udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , undersøgelser fra Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf og Ioffe Instituttet har demonstreret brugen af ​​elastiske vibrationer til at manipulere spin-tilstandene af optisk aktive farvecentre i SiC ved stuetemperatur. I deres undersøgelse, forfatterne bruger den periodiske modulering af SiC-krystalgitteret til at inducere overgange mellem spin-niveauerne i silicium-tomgangscentret, et optisk aktivt farvecenter med spin S=3/2. Af særlig betydning for fremtidige anvendelser er det faktum, at i modsætning til de fleste atomlignende lyscentre, hvor observation af belastningsinducerede effekter kræver afkøling af systemet til meget lave temperaturer, de her rapporterede virkninger blev observeret ved stuetemperatur.

For at koble gittervibrationerne til silicium-fritidscentrene, forfatterne skabte først selektivt sådanne centre ved at bestråle SiC med protoner. Derefter fremstillede de en akustisk resonator til excitation af stående overflade akustiske bølger (SAW) på SiC. SAW'er er elastiske vibrationer begrænset til overfladen af ​​et fast stof, der ligner seismiske bølger skabt under et jordskælv. Når frekvensen af ​​SAW matcher resonansfrekvenserne for farvecentrene, elektronerne, der er fanget i dem, kan bruge energien fra SAW til at hoppe mellem de forskellige spin-underniveauer. På grund af spin-strain-koblingens særlige karakter, SAW'en kan inducere spring mellem spintilstande med magnetiske kvantetalforskelle Δm=±1 og Δm=±2, mens mikrobølge-inducerede er begrænset til Δm=±1. Dette gør det muligt at realisere fuld kontrol over spintilstandene ved hjælp af højfrekvente vibrationer uden hjælp af eksterne mikrobølgefelter.

Ud over, på grund af den iboende symmetri af SAW-stammefelterne kombineret med de ejendommelige egenskaber ved halvheltals spin-systemet, intensiteten af ​​sådanne spin-overgange afhænger af vinklen mellem SAW-udbredelse og spin-kvantiseringsretninger, som kan styres af et eksternt magnetfelt. I øvrigt, forfatterne forudsiger en chiral spin-akustisk resonans under omrejsende SAW'er. Det betyder at, under visse eksperimentelle forhold, spinovergangene kan slås til eller fra ved at invertere magnetfeltet eller SAW-udbredelsesretningen.

Disse resultater fastslår siliciumcarbid som en meget lovende hybridplatform til on-chip spin-optomekanisk kvantekontrol, der muliggør manipulerede interaktioner ved stuetemperatur.