КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 24-22-00448
НазваниеNV дефекты в изотопно-модифицированном кристалле 6H-SiC для квантовых сенсоров и электрон-ядерных спиновых регистров
РуководительМурзаханов Фадис Фанилович,
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет", Республика Татарстан (Татарстан)
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2024 г. - 2025 г. |
Конкурс№89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-202 - Полупроводники
Ключевые словаАзот-вакансионные центры, оптическая поляризация, инверсия населенности, центры окраски, магнитный резонанс, полупроводники, карбид кремния
Код ГРНТИ29.19.22
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
На сегодняшний день активный поиск материалов для потенциальной реализации квантовых технологий позволил выделить несколько основных научно-технических направлений развития систем, основанные на явлении сверхпроводимости (джозефсоновский контакт), ультрахолодных атомах, фотонах или захваченных ионах. Особый интерес также вызывают точечные дефекты вакансионного типа в кристаллической решетке полупроводниковых структур – центры окраски (ЦО), обладающие уникальными спиновыми, оптическими и когерентными свойствами [Proceedings of the IEEE, 104(10), 2009-2023.]. Наиболее ярким и широко изученным примером является NV центр в алмазе, который успел зарекомендовать себя в качестве основы для создания кубитов и квантовой запутанности на их базе, квантовой криптографии, высокочувствительных сенсоров с субмикронным пространственным разрешением и однофотонных источников [Nature communications 10.1 (2019): 1678.]. Обширное разнообразие/семейство аналогичных центров было обнаружено в более технологически развитом и дешевом материале – карбид кремния (SiC) с основными политипами 3C, 4H и 6H, которые могут быть легко интегрированы к имеющимся микроэлектронным схемам [Physical Review B, 94(12), 121202.]. В дополнении, кристаллы SiC в отличие от алмаза, обладают спектром люминесценции в ближнем ИК диапазоне (1200 нм), что соответствует оптимальной полосе пропускания оптоволоконного способа передачи информации и может быть использовано при создании квантовых биосенсоров. Установлено, что облучение допированного атомами азота кристалла SiC потоком высокоэнергетических протонов с последующим температурным отжигом ведет к образованию стабильных отрицательно заряженных азот-вакансионных (NV) центров или дивакансий (VV), которые в основном состоянии обладают триплетной спиновой конфигурацией (S = 1). Снятие вырождения спиновых подуровней происходит за счет прикладывания магнитного поля или наличия кристаллического поля и спин-орбитального взаимодействия, что ведет к нулевому расщеплению (D). В такой ситуации ЦО может рассматриваться в качестве кубита, где спиновое состояние (MS) может меняться («переключаться») с помощью микроволнового или радиочастотного импульса. При этом лазерное возбуждение (532 нм или 980 нм) центров окраски в SiC приводит к спиновой поляризации (оптическая инициализация) с преимущественным заселением немагнитного состояния (MS = 0) с образованием инверсии населенности. Для установления микроскопической структуры ЦО, анализа локального окружения, исследования электрон-ядерных взаимодействий и динамических характеристик, а также осуществления селективных переходов между спиновыми подуровнями наиболее подходящим методом является электронный парамагнитный резонанс вместе с производными от него приложениями. В рамках данной работы будет произведена экспериментальная проверка реализуемости NV центра в кристалле 6H-SiC с изотопным обогащением немагнитного 28Si в качестве кубита. Для этого впервые будет продемонстрирован когерентный контроль электронных спиновых состояний NV центра путем регистрации осцилляций Раби в зависимости от микроволновой мощности. Будет проведено детальное исследование релаксационных характеристик NV центров в широком температурном диапазоне (200 K – 5 K) для установления механизмов (источников) потери намагниченности и определение предельных времен фазовой когерентности. Методом высокочастотного двойного электрон-ядерного резонанса будут исследованы взаимодействия между электронным спином и ядерным магнитным моментов 14N с последующим установлением абсолютных величин и симметрии сверхтонкого (A) и квадрупольного (Q) расщеплений. Поученные в данном Проекте результаты затронут основные критерии (условия) применимости ЦО в качестве кубита, а именно стабильность зарядового состояния, манипулируемость/управляемость электронным спином, наличие длинных времен релаксации, присутствие электрон-ядерной связи и изотопная чистота от магнитных ядер.
Ожидаемые результаты
В рамках данного Проекта будут рассмотрены два основных аспекта, влияющих на развитие ЦО в качестве квантового бита (кубита): (i) динамические (релаксационные) характеристики исследуемого центра и (ii) особенности электрон-ядерных взаимодействий между электронным и ядерным (14N) спинами азот-вакансионного дефекта. Для NV центра в изотопически (28Si) обогащенном кристалле 6H-SiC будут получены результаты по анализу времен релаксации (спин-решеточной – T1 и спин-спиновой – T2) в зависимости от температуры кристалла (от 250 K до 7 K), благодаря чему можно будет сделать вывод о механизмах релаксации, влияющих на «время жизни» ЦО или кубита. Будет показано влияние оптического возбуждения разных длин волн (260 нм – 980 нм) на времена релаксации. Также будет оценено предельное время фазовой когерентности, что является крайне важной информацией (параметром) для кубитов, поскольку данная величина дает временные границы в пределах которого можно осуществлять квантовые манипуляции. Ожидается, что время фазовой когерентности будет в пределах миллисекунд, т.к. образец для данного Проекта является изотопически чистым с точки зрения магнитных ядер, которые как правило служат источниками дополнительных потерь спиновой намагниченности ЦО.
В дополнении к данному пункту – ожидается пронаблюдать когерентные осцилляции Раби в зависимости от величины микроволновой мощности. Осуществление осцилляций Раби является одним из прямых доказательств потенциальной применимости ЦО в качестве кубита, поскольку эксперимент с использованием трехимпульсной последовательности подразумевает вращение (манипулирование/управления) спиновой намагниченностью в течение некоторого времени, которое обычно меньше времени фазовой когерентности. С точки зрения квантовых алгоритмов поворот спиновой намагниченности ЦО на 180 градусов (pi-импульс) означает операцию NOT. Таким образом из-за длинных времен релаксаций ожидается пронаблюдать несколько десятков поворотов вокруг одной из оси вращающейся системы координат. Ожидается, что частота осцилляций Раби азот-вакансионных центров будет линейно зависеть от значения корня микроволновой мощности, что свидетельствует об отсутствии двухквантовых неконтролируемых переходов, которые по правилам отбора относятся к запрещенным. Использование высокочастотного ЭПР спектрометра при магнитном поле B = 3.5 Тл позволит рассмотреть спиновые уровни центра с триплетным состоянием (S=1) в виде кубита с двумя стабильными состояниями с чистыми волновыми функциями (к примеру, MS=1 и MS=0). Исследование спада кривых осцилляций даст информацию о механизмах, влияющих на расфазировку намагниченности центра окраски.
В рамках данного Проекта будет проведён детальный анализ электрон-ядерных взаимодействий, присутствующих в азот-вакансионном центре. Высокочастотный метод двойного электрон-ядерного резонанса позволит получить информацию о сверхтонком расщеплении, а именно, будут установлены значения изотропного контактного Ферми вклада “Aiso” и анизотропного диполь-дипольного Adip-dip вкладов. Поскольку ядерный спин азота 14N равен I = 1, методом ДЭЯР будет установлено дополнительно величина квадрупольного взаимодействия Cq. Спектры ДЭЯР зарегистрированные при различных ориентация кристалла 6H-SiC относительно магнитного поля позволит установить симметрию тензоров сверхтонкого и квадрупольного взаимодействий. Таким образом, в ходе данных экспериментов будет получен полный спиновый гамильтониан NV центра вместе с информацией о симметрии тензоров тонкой структуры, сверхтонкого и квадрупольного расщеплений. Полученные результаты позволят однозначно установить/подтвердить микроскопическую структуру NV центра, при чем для каждого их трех структурно неэквивалентных центров, поскольку метод ДЭЯР дает прямую информацию о природе/типе магнитного ядра, в то время как до данных исследований идентификация NV центра в 6H-SiC была осуществлена за счет ЭПР спектроскопии и квантово-химических расчетов. Анализ особенностей и величин электрон-ядерных взаимодействий является крайне важной процедурой для установления критериев применимости NV центров в качестве квантовой регистров. Также информация об абсолютных величинах (с точностью до знака) спинового гамильтониана позволит установить правильный порядок электронных и ядерных спиновых подуровней для возможности дальнейшего резонансного (селективного) возбуждения определенных состояний.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ