PAM-XIAMEN ist in der Lage, Ihnen Siliziumwafer für optische Studien zur Verfügung zu stellen. Weitere Informationen finden Sie unterhttps://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.

Das globale Quanteninternet benötigt eine langlebige, photonische Materialschnittstelle im Telekommunikationsband, die in großem Maßstab hergestellt werden kann. Das vorläufige Quantennetzwerk, das auf Photonen-Materie-Schnittstellen basiert und diese Teilanforderungen erfüllt, fördert die Bemühungen, neue Hochleistungsalternativen zu finden. Silizium ist das ideale Thema für die Festkörper-Quantentechnologie im kommerziellen Maßstab. Es ist bereits eine fortschrittliche Plattform in der globalen integrierten Photonik- und Mikroelektronikindustrie und verfügt über ein rekordverdächtiges, langlebiges Spin-Quantenbit. Obwohl Silizium-Quantenplattformen großes Potenzial haben, ist die optische Erkennung der Photonen-Spin-Grenzfläche auf Silizium-basierten Materialien nach wie vor schwer zu erreichen.

1. Integration undOPtischCKopplung von T-Ctritt einSilicon

Das T-Zentrum ist das Strahlungsschadenszentrum in Silizium und besteht aus zwei Kohlenstoffatomen, einem Wasserstoffatom und einem ungepaarten Elektron (Abb. 1a). Bei 935,1 meV (1326 nm) gibt es einen optischen Übergang der Null-Phononenlinie (ZPL), und das T-Zentrum ist eines der bekannten Silizium-Strahlungsschadenszentren, die Licht im Nahinfrarot-Kommunikationsband emittieren.

Die Messung des T-Zentren-Ensembles in isotopenangereichertem 28Si ergab eine Lebensdauer des angeregten Zustands von 940 ns und eine Übergangslinienbreite von nur 33 MHz. Der T-Zentrum-Grundzustand hat keinen Elektronenspin und einen hyperfeingekoppelten Wasserstoffkernspin. Sowohl die Grundzustandselektronen als auch der Wasserstoffkernspin sind langlebig und weisen Kohärenzzeiten von mehr als 2,1 ms bzw. 1,1 s in 28Si auf. Im optisch angeregten Zustand des gebundenen Exzitons bilden zwei Elektronen einen Singulett-Zustand, und die Abnahme der Defektsymmetrie spaltet den Lochzustand in zwei Spin-Doppelzustände mit der Bezeichnung TX0 bzw. TX1 auf (Abb. 1b). Unter der Wirkung eines statischen Magnetfelds spaltet sich TX0 ZPL in vier spinbezogene Übergänge auf.

Diese Arbeit bereitet zunächst T-Zentren in industriellen Standard-SOI-Chips vor. Wie in Abb. 1c gezeigt, dominiert die T-Zentrum-Photolumineszenz (PL) das Spektrum der Probe. Um eine räumliche Auflösung eines einzelnen T-Zentrums zu erreichen, wurden Experimente in einem selbstgebauten konfokalen SOI-Schicht-4,3(3)K-Niedertemperaturmikroskop durchgeführt. Abb. 1d zeigt das simulierte Feld des Dipol-Emitters in der Mitte des Mikrorückens, ausgerichtet in der Geräteebene. In dieser Arbeit wird geschätzt, dass im unmodellierten SOI die Stärke von ZPL im Vergleich zum Zentrum um das bis zu 58-fache erhöht ist.

Abb. 1 Integration und optische Kopplung des T-Zentrums

2. Siliziumbasiertes Zentrum

Die konfokale PLE liefert Hinweise darauf, dass ein einzelnes T-Zentrum angesprochen werden kann. Diese Studie wählte eine Gruppe von Mikropucks mit einem Radius von 305 nm aus (Abb. 2a) und maß dann das PLE-Spektrum für jeden Mikropuck im 776 μeV-Bereich um den Bulk-TX0-ZPL. Drei Beispiele für Single-Push-PLE-Spektren sind in Abb. 2b dargestellt. Jedes PLE-Spektrum enthält eine kleine Menge (durchschnittlich 1,1) schmaler Resonanzen, die aus größeren ungleichmäßigen Verteilungen stammen.

Abb. 2c zeigt die Position und Linienbreite des T-Center-ZPL-Peaks in den 144 Mikrorissen in Abb. 2a. Die Verteilung der ZPL-Peaks wird durch Veränderungen in den lokalen Isotopen und der Spannungsumgebung jedes Defekts verursacht. Diese ungleichmäßige Verteilung hat einen größeren Bereich und ist leicht vom nichtgrafischen SOI-ZPL versetzt (wie in Abb. 1c dargestellt).

Diese Arbeit ergab, dass in stark beschädigten und nicht optimierten Materialien die gesamte spektrale Diffusion des Selektionszentrums weniger als 400 MHz beträgt. Oberflächenoptimierung, elektrostatische Kontrolle und geringere Injektionsschäden reduzieren nachweislich Umgebungsgeräusche und die spektrale Diffusion anderer Farbzentren erheblich. Ähnliche Techniken können auch auf dieses System angewendet werden.

Abb. 2 Zentrum auf Siliziumbasis

3. SiliziumBasedSingle SStiftOPtischIInitialisierung undReadout

In Abb. 3a-c zeigt diese Arbeit die zweifarbigen PLE-Spektren von drei T-Zentren, die aus Mikrobläschen mit einem Radius von 305 nm extrahiert wurden. Die ZPL-Aufteilung jedes TX0 ist unterschiedlich und spiegelt unterschiedliche Ausrichtungen wider. T-Zentrum 1 weist nahezu degenerierte B- und C-Übergänge auf, wobei jeder Laser unabhängig voneinander eine kontinuierliche Fluoreszenz antreibt.

Im Gegensatz dazu wurden die B- und C-Übergänge des T-Zentrums 2 bei der Aufteilung von 1 GHz gut aufgelöst. Die hellste Fluoreszenz wird durch eine Kombination zweier Farben erzeugt, bei der der Laser verstimmt ist und mit den B- bzw. C-Übergängen in Resonanz tritt. Die BC-Aufspaltung von T-Zentrum 3 beträgt nur 0,7 GHz, die beiden AD-Resonanzen sind aber immer noch gut aufgelöst.

Nachdem bestätigt wurde, dass es sich um einzelne Spins handelt, besteht der nächste Schritt dieser Arbeit darin, eine optische Initialisierung und das Auslesen des Spinzustands durchzuführen und die Spinlebensdauer (T1) zu messen. Die in Abb. 3f dargestellte optische Impulssequenz verarbeitet die B- und C-Übergänge des T-Zentrums 3. Wenn sich die Wartezeit 1 ms nähert, werden für B (orange) asymmetrische Übergangslebensdauern von 0,85 (6) und 1,2 (1) ms erzeugt. bzw. C (blau) Leseimpulse. In zukünftigen Arbeiten wird eine stärkere optische Extinktion die messbare Spin-Lebensdauer verlängern.

Abb. 3 Optische Single-Spin-Initialisierung und Auslesung

Diese Arbeit integriert einzeln adressierbare T-Center-Photonenspin-Qubits in photonische Siliziumstrukturen und charakterisiert ihre spinbezogenen optischen Übergänge im Telekommunikationsband. Gemessen wurde ein geräteintegriertes T-Center mit einer langfristigen optischen Linienbreite von unter 400 MHz unter 2,5 K. Durch Prozessentwicklung, elektrostatische Technik und dynamische Steuerung wurde die langfristige optische Linienbreite vieler Emitter verbessert. Diese Forschungsleistung bietet eine direkte Gelegenheit für den Aufbau eines siliziumintegrierten Telekommunikationsband-Quanteninformationsnetzwerks.

Für weitere Informationen kontaktieren Sie uns bitte per E-Mail untervictorchan@powerwaywafer.com und powerwaymaterial@gmail.com.