Звук помог пленить спин

Физики из Германии и России экспериментально исследовали эффект когерентного пленения спина, индуцированного поверхностной акустической волной. Для этого они измеряли сигнал фотолюминесценции, переизлучаемый кремниевыми вакансиями в карбиде кремния, помещенном в магнитном поле. Работа опубликована в Science Advances.

Если в прозрачном диэлектрике появляются дефекты, которые поглощают оптическое излучение, материал приобретает некоторый цвет. Из-за этого такие дефекты называют центрами окраски. Помимо оптических свойств, такие дефекты часто демонстрируют интересное магнитное поведение. В этом случае их спины могут нести квантовую информацию или выступать в роли квантовых сенсоров.

Одним из преимуществ кубитов на основе спинов центров окраски стало то, что ими можно манипулировать с помощью разнообразных постоянных и переменных полей. Вместе с тем недавние исследования показали, что этот инструментарий может быть дополнен акустическими волнами. Так, например, физики выяснили, что поверхностные акустические волны могут индуцировать спиновые переходы, которые запрещены для электромагнитного взаимодействия правилами отбора, а также пронаблюдали ряд других интересных эффектов, в том числе когерентное пленение населенности.

Альберто Эрнандес-Мингес (Alberto Hernández-Mínguez) из Института твердотельной электроники имени Пауля Друде с коллегами из Германии и России сделали следующий шаг в этом направлении. Они экспериментально исследовали когерентное пленение спина с помощью поверхностной акустической волны. Эффект заключается в том, что при правильном подборе параметров магнитных и акустических полей, которые приложены к центру окраски, проекция его спина перестает испытывать случайные скачки, вызванные непрерывным оптическим возбуждением.

Когда двухуровневая спиновая система помещается в магнитное поле, обе ее компоненты испытывают зеемановское расщепление, пропорциональное величине поля. Если при этом облучать систему переменным полем (радиочастотным или акустическим), с частотой, близкой к резонансу этих расщеплений, то населенности и возбужденного, и основного дуплетов (если в расщеплении всего две компоненты) начнут осциллировать со своими частотами Раби. В общем случае эти осцилляции рассогласованы. Это означает, что случайное излучение или поглощение системой фотонов сделает поведение спина очень сложным, а его проекцию в среднем нулевой. В конце концов, если спин несет какую-либо квантовую информацию, она очень быстро потеряется.

Однако при некоторых условиях возможно согласование осцилляций Раби основного и возбужденного состояний. Его можно понять, если представить себе эти осцилляции как прецессию спинового вектора в спиновом пространстве вокруг оси, направление которой определяется частотой и амплитудой переменного поля, его связью с уровнем, а также величиной магнитного поля. При правильном их подборе оси для обоих состояний системы будут параллельны. Это значит, что направление спина вдоль этой оси будет сохраняться независимо от оптических переходов между основным и возбужденным состояниями. Этот эффект и называется когерентным пленением спина.

Физики исследовали этот эффект на кремниевых вакансиях в карбиде кремния. Особенность этих дефектов заключается в том, что в них невозможно получить когерентное пленение спина с помощью радиочастотного поля из-за одинаковых g-факторов основного и возбужденного состояний, но это можно сделать с помощью поверхностных акустических волн. Чтобы убедиться в этом физики создавали в карбиде кремния вакантные центры окраски с помощью облучения протонами. Авторы помещали образец в постоянное магнитное поле и создавали на его поверхности звуковые волны.

Меняя величину магнитного поля, они следили за интенсивностью фотолюминесценции образца. Теория предсказывает, что стабильные осцилляции населенности должны снижать ее интенсивность. В частности, такое происходит, когда частота переменного поля находится в резонансе с зеемановским расщеплением верхнего или нижнего уровней, что выражается в виде нескольких минимумах сигнала фотолюминесценции. Когерентное пленение спина в свою очередь должно создавать дополнительный резонанс, который и обнаружили физики.

Сверху: зеемановское расщепление основного и возбужденного уровней кремниевой вакансии при различных магнитных полях. Стрелками изображены переходы ΔmS = ±2, индуцированные акустической волной с частотой 921 мегагерц. Снизу: график изменения интенсивности фотолюминесценции для той же оси магнитного поля. Кружочками показан аналогичный график для ситуации, где вместо акустической волны образец облучался радиоволнами с частотой 800 мегагерц. Синяя полоса соответствует когерентному пленению спина.

Его форма и знак подсказывали, что этот минимум имеет характер резонанса Фано, в который вовлекаются расщепления при нулевом магнитном поле, вызванные локальным окружением центра окраски. Поскольку эти расщепления чувствительны к температуре, авторы подтвердили свою догадку, наблюдая за изменением пиков при различных температурах. Они также построили численную модель, которая полностью объяснила наблюдаемые зависимости.

Физики отмечают, что предсказываемое моделью увеличение времени спиновой релаксации должно выражаться в сужении резонанса. Однако в их работе этот эффект маскируется неоднородным уширением, которое связано с тем, что каждый центр окраски в образце обладает своим собственным окружением. В качестве следующего шага они рассматривают возможность создания одинаковых центров окраски и, как следствие, прямое наблюдение увеличения времени спиновой когерентности.

Среди множества точечных дефектов в диэлектриках одними из самых популярных остаются азото-замещенные вакансии в алмазе. Мы уже рассказывали, как их превратили в однофотонный источник, гироскоп и детектор магнитного поля.

Марат Хамадеев

Источник: nplus1.ru

0 0 голоса
Рейтинг статьи

Опубликовано: 02.11.2021 в 22:45

Автор:

Категории: Наука и технологии

Подписаться
Уведомить о
guest
0 комментариев
Межтекстовые Отзывы
Посмотреть все комментарии