PAM-XIAMEN может предоставить вам кремниевые пластины для оптических исследований, подробнее см.https://www.powerwaywafer.com/silicon-wafer.

Глобальному квантовому Интернету нужен долговечный интерфейс из фотонных материалов телекоммуникационного диапазона, который можно будет производить в больших масштабах. Предварительная квантовая сеть, основанная на интерфейсах фотонной материи, которая отвечает этим подмножествам потребностей, стимулирует усилия по поиску новых высокопроизводительных альтернатив. Кремний является идеальным объектом для твердотельных квантовых технологий коммерческого масштаба. Это уже передовая платформа в глобальной интегрированной индустрии фотоники и микроэлектроники, обладающая рекордным сроком службы спинового квантового бита. Хотя кремниевые квантовые платформы имеют большой потенциал, оптическое обнаружение спинового интерфейса фотонов на материалах на основе кремния остается неуловимым.

1. Интеграция иOоптическийCсоединение Т-Cвходит вSкремний

Т-центр – это центр радиационного повреждения кремния, состоящий из двух атомов углерода, одного атома водорода и одного неспаренного электрона (рис. 1а). При длине волны 935,1 мэВ (1326 нм) происходит оптический переход по бесфононной линии (БФЛ), а Т-центр является одним из известных центров радиационного повреждения кремния, излучающих свет в ближнем инфракрасном диапазоне связи.

Измерение ансамбля Т-центров в изотопно-обогащенном 28Si показало время жизни возбужденного состояния 940 нс и ширину линии перехода всего 33 МГц. Основное состояние Т-центра имеет неэлектронный спин и сверхтонкий связанный ядерный спин водорода. Электроны основного состояния и ядерный спин водорода являются долгоживущими: время когерентности превышает 2,1 мс и 1,1 с в 28Si соответственно. В оптически возбужденном состоянии связанного экситона два электрона образуют синглетное состояние, а снижение симметрии дефекта расщепляет дырочное состояние на два спиновых двойных состояния, обозначенных TX0 и TX1 соответственно (рис. 1б). Под действием постоянного магнитного поля TX0 ZPL распадается на четыре спиновых перехода.

В ходе этой работы сначала готовятся Т-центры в чипах SOI промышленного стандарта. Как показано на рис. 1в, фотолюминесценция (ФЛ) Т-центра доминирует в спектре образца. Для достижения пространственного разрешения одиночного Т-центра эксперименты проводились в самодельном КНИ-устройстве Layer 4,3(3)K низкотемпературном конфокальном микроскопе. На рис. 1г показано моделируемое поле дипольного эмиттера в центре микрозадника, ориентированного в плоскости устройства. По оценкам этой работы, в немоделированном SOI прочность ZPL увеличивается до 58 раз по сравнению с центром.

Рис. 1 Интеграция и оптическая связь Т-центра

2. Центр на основе кремния.

Конфокальная PLE свидетельствует о том, что можно воздействовать на один Т-центр. В этом исследовании была выбрана группа микрошайб с радиусом 305 нм (рис. 2а), а затем измерен спектр PLE для каждой микрошайбы в диапазоне 776 мкэВ вокруг объемного TX0 ZPL. Три примера спектров PLE с одиночным нажатием показаны на рис. 2b. Каждый спектр PLE содержит небольшое количество (в среднем 1,1) узких резонансов, выбранных из более крупных неоднородных распределений.

На рис. 2в показано положение и ширина линии пика ЗФЛ Т-центра в 144 микротрещинах на рис. 2а. Распределение пиков ЗФЛ обусловлено изменениями локальных изотопов и деформационного окружения каждого дефекта. Это неравномерное распределение имеет более широкий диапазон и немного смещено от неграфического SOI ZPL (как показано на рис. 1c).

В этой работе было установлено, что в сильно поврежденных и неоптимизированных материалах общая спектральная диффузия центра селекции составляет менее 400 МГц. Доказано, что оптимизация поверхности, электростатический контроль и снижение повреждений при впрыске значительно снижают шум окружающей среды и спектральную диффузию других центров окраски, и аналогичные методы также могут быть применены к этой системе.

Рис. 2 Центр на основе кремния

3. КремнийBAsed Sогонь в очаге Sштырь OоптическийIинициализация иRвывод

На рис. 3а-в в этой работе представлены двухцветные спектры ВФЛ трех Т-центров, извлеченных из микропузырьков радиусом 305 нм. Разделение ZPL каждого TX0 различно, что отражает разную ориентацию. Т-центр 1 имеет почти вырожденные переходы B и C, при этом каждый лазер независимо управляет непрерывной флуоресценцией.

Напротив, переходы B и C Т-центра 2 хорошо разрешались при расщеплении на частоте 1 ГГц. Наиболее яркая флуоресценция генерируется комбинацией двух цветов, при которой лазер расстроен и резонирует с переходами B и C соответственно. Расщепление BC Т-центра 3 составляет всего 0,7 ГГц, но два резонанса AD все еще хорошо разрешены.

После подтверждения того, что это одиночные спины, следующим шагом этой работы будет выполнение оптической инициализации и считывание состояния спина, а также измерение времени жизни спина (T1). Последовательность оптических импульсов, показанная на рис. 3f, обрабатывала переходы B и C Т-центра 3. Когда время ожидания приближается к 1 мс, для B (оранжевый) генерируется асимметричное время жизни переходного процесса 0,85 (6) и 1,2 (1) мс. и C (синий) импульсы чтения соответственно. В будущих работах большее оптическое затухание продлит измеримое время жизни спина.

Рис. 3. Односпиновая оптическая инициализация и считывание.

Эта работа интегрирует индивидуально адресуемые фотонные спиновые кубиты Т-центра в кремниевые фотонные структуры и характеризует их спиновые оптические переходы в телекоммуникационном диапазоне. Был измерен интегрированный Т-центр устройства с долговременной оптической шириной менее 400 МГц ниже 2,5 К. Благодаря разработке процессов, электростатической инженерии и динамическому контролю была улучшена долгосрочная оптическая ширина линии многих излучателей. Это научное достижение дает прямую возможность для создания кремниевой интегрированной квантовой информационной сети телекоммуникационного диапазона.

Для получения дополнительной информации, пожалуйста, свяжитесь с нами по электронной почте по адресуvictorchan@powerwaywafer.com и powerwaymaterial@gmail.com.