Nanoe-aardbevingen beheersen spincentra in siliciumcarbide

Onderzoekers van het Paul-Drude-Institut in Berlijn, het Helmholtz-Zentrum in Dresden en het Ioffe Institute in St. Petersburg hebben het gebruik van elastische trillingen aangetoond om de spintoestanden van optisch actieve kleurcentra in SiC bij kamertemperatuur te manipuleren. Ze tonen een niet-triviale afhankelijkheid van de akoestisch geïnduceerde spinovergangen van de spinkwantiseringsrichting, wat kan leiden tot chirale spin-akoestische resonanties. Deze bevindingen zijn belangrijk voor toepassingen in toekomstige kwantum-elektronische apparaten en zijn onlangs gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven.

Kleurcentra in vaste stoffen zijn optisch actieve kristallografische defecten die een of meer gevangen elektronen bevatten. Van bijzonder belang voor toepassingen in kwantumtechnologieën zijn optisch adresseerbare kleurcentra, dat wil zeggen roosterdefecten waarvan de elektronische spintoestanden selectief kunnen worden geïnitialiseerd en uitgelezen met behulp van licht. Naast initialisatie en uitlezing is het ook nodig om efficiënte methoden te ontwikkelen om hun spintoestanden, en dus de daarin opgeslagen informatie, te manipuleren. Hoewel dit doorgaans wordt gerealiseerd door het toepassen van microgolfvelden, zou een alternatieve en efficiëntere methode het gebruik van mechanische trillingen kunnen zijn. Van de verschillende materialen voor de implementatie van dergelijke op spanning gebaseerde technologieën, trekt SiC steeds meer aandacht als een robuust materiaal voor nano-elektromechanische systemen met een ultrahoge gevoeligheid voor trillingen dat ook zeer coherente optisch actieve kleurcentra herbergt.

In een recent werk gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrievenhebben onderzoeken van het Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, het Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf en het Ioffe Institute het gebruik van elastische trillingen aangetoond om de spintoestanden van optisch actieve kleurcentra in SiC bij kamertemperatuur te manipuleren. In hun studie gebruiken de auteurs de periodieke modulatie van het SiC-kristalrooster om overgangen te induceren tussen de spinniveaus van het silicium-vacaturecentrum, een optisch actief kleurcentrum met spin S = 3/2. Van bijzonder belang voor toekomstige toepassingen is het feit dat, in tegenstelling tot de meeste atoomachtige lichtcentra, waar de waarneming van door spanning geïnduceerde effecten afkoeling van het systeem tot zeer lage temperaturen vereist, de hier gerapporteerde effecten werden waargenomen bij kamertemperatuur.

Om de roostertrillingen aan de silicium-vacaturecentra te koppelen, creëerden de auteurs eerst selectief dergelijke centra door het SiC te bestralen met protonen. Vervolgens fabriceerden ze een akoestische resonator voor de excitatie van akoestische golven op het staande oppervlak (SAW) op het SiC. SAW’s zijn elastische trillingen die beperkt blijven tot het oppervlak van een vaste stof en die lijken op seismische golven die zijn ontstaan ​​tijdens een aardbeving. Wanneer de frequentie van de SAW overeenkomt met de resonantiefrequenties van de kleurcentra, kunnen de elektronen die erin gevangen zitten de energie van de SAW gebruiken om tussen de verschillende spinsubniveaus te springen. Vanwege de speciale aard van de spin-strain-koppeling, kan de SAW sprongen veroorzaken tussen spintoestanden met magnetische kwantumgetalverschillen Δm = ± 1 en Δm = ± 2, terwijl microgolf-geïnduceerde sprongen beperkt zijn tot Δm = ± 1. Dit maakt het mogelijk om volledige controle over de spintoestanden te realiseren met behulp van hoogfrequente trillingen zonder de hulp van externe microgolfvelden.

Bovendien hangt, vanwege de intrinsieke symmetrie van de SAW-vervormingsvelden in combinatie met de eigenaardige eigenschappen van het half-integer-spinsysteem, de intensiteit van dergelijke spinovergangen af ​​van de hoek tussen SAW-voortplanting en spinkwantiseringsrichtingen, die kan worden gecontroleerd door een extern magnetisch veld. Bovendien voorspellen de auteurs een chirale spin-akoestische resonantie onder reizende SAW’s. Dit betekent dat, onder bepaalde experimentele omstandigheden, de spinovergangen kunnen worden in- of uitgeschakeld door het magnetisch veld of de SAW-voortplantingsrichting om te keren.

Deze bevindingen stellen siliciumcarbide vast als een veelbelovend hybride platform voor on-chip spin-optomechanische kwantumcontrole die gemanipuleerde interacties bij kamertemperatuur mogelijk maakt.