Влияние условий фотовозбуждения на спиновую поляризацию азот-вакансионных центров в изотопно-обогащенном карбиде кремния 6H- ²⁸ SiC

Спиновые дефекты в полупроводниках привлекают интерес как материальная основа для реализации квантово-информационных и вычислительных технологий. В данной работе исследованы спиновые свойства отрицательно заряженных азот-вакансионных (NV⁻) центров в обогащенном изотопом ²⁸Si кристалле карбида кремния 6H-SiC методами высокочастотного (94 ГГц) электронного парамагнитного резонанса (ЭПР). Благодаря наличию у NV⁻-центров оптического канала возбуждения удается произвести инициализацию электронного спина дефекта лазерным источником, многократно повысив интенсивность регистрируемого сигнала ЭПР. Исследованы зависимости наблюдаемой спиновой поляризации при различных длинах волн оптического возбуждения (λ = 640 – 1064 нм), выходной мощности (от 0 до 500 мВт) и температуры (50 – 300 К) кристалла. Полученные результаты позволяют определить оптимальные экспериментальные условия для достижения наибольшей эффективности передачи энергии оптического кванта в спиновую систему. Это открывает новые возможности для создания мультикубитных спин-фотонных интерфейсов, оперирующих в инфракрасной области, на основе NV⁻-центров в 6H-SiC.

1. Ladd T.D., Jelezko F., Laflamme R., Nakamura Y., Monroe C., O’Brien J. Quantum computers. Nature, 2010, vol. 464, no. 7285, pp. 45–53. https://doi.org/10.1038/nature08812.

2. Weber J.R., Koehl W.F., Varley J.B., Janotti A., Buckley B.B., Van de Walle C.G., Awschalom D.D. Quantum computing with defects. Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A., 2010, vol. 107, no. 19, pp. 8513–8518. https://doi.org/10.1073/pnas.1003052107.

3. Nandhini S., Singh H., Akash U.N. An extensive review on quantum computers. Adv. Eng. Software, 2022, vol. 174, art. 103337. https://doi.org/10.1016/j.advengsoft.2022.103337.

4. Zhang G., Cheng Y., Chou J.-P., Gali A. Material platforms for defect qubits and singlephoton emitters. Appl. Phys. Rev., 2020, vol. 7, no. 3, art. 031308. https://doi.org/10.1063/5.0006075.

5. Heremans F.J., Yale C.G., Awschalom D.D. Control of spin defects in wide-bandgap semiconductors for quantum technologies. Proc. IEEE, 2016, vol. 104, no. 10, pp. 2009–2023. https://doi.org/10.1109/JPROC.2016.2561274.

6. Doherty M.W., Manson N.B., Delaney P., Jelezko F., Wrachtrup J., Hollenberg L.C.L. The nitrogen-vacancy colour centre in diamond. Phys. Rep., 2013, vol. 528, no. 1, pp. 1–45. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2013.02.001.

7. von Bardeleben H.J., Cantin J.L., Cs´or´e A., Gali A., Rauls E., Gerstmann U. NV centers in 3C,4H, and 6H silicon carbide: A variable platform for solid-state qubits and nanosensors. Phys. Rev. B, 2016, vol. 94, no. 12, art. 121202. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.121202.

8. Murzakhanov F.F., Yavkin B.V., Mamin G.V., Orlinskii S.B., Mumdzhi I.E., Gracheva I.N., Gabbasov B.F., Smirnov A.N., Davydov V.Yu., Soltamov V.A. Creation of negatively charged boron vacancies in hexagonal boron nitride crystal by electron irradiation and mechanism of inhomogeneous broadening of boron vacancy-related spin resonance lines. Nanomaterials, 2021, vol. 11, no. 6, art. 1373. https://doi.org/10.3390/nano11061373.

9. Mi X., Benito M., Putz S., Zajac D.M., Taylor J.M., Burkard G., Petta J.R. A coherent spin–photon interface in silicon. Nature, 2018, vol. 555, no. 7698, pp. 599–603. https://doi.org/10.1038/nature25769.

10. Soltamov V.A., Kasper C., Poshakinskiy A.V., Anisimov A.N., Mokhov E.N., Sperlich A., Tarasenko S.A., Baranov P.G., Astakhov G.V., Dyakonov V. Excitation and coherent control of spin qudit modes in silicon carbide at room temperature. Nat. Commun., 2019, vol. 10, no. 1, art. 1678. https://doi.org/10.1038/s41467-019-09429-x.

11. Bechstedt F., Käckell P., Zywietz A., Karch K., Adolph B., Tenelsen K., Furthmu¨ller J. Polytypism and properties of silicon carbide. Phys. Status Solidi B, 1997, vol. 202, no. 1, pp. 35–62. https://doi.org/10.1002/1521-3951(199707)202:1<35::AID-PSSB35>3.0.CO;2-8.

12. Weber W.J., Gao F., Devanathan R., Jiang W., Wang C.M. Ion-beam induced defects and nanoscale amorphous clusters in silicon carbide. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. B, 2004, vol. 216, pp. 25–35. https://doi.org/10.1016/j.nimb.2003.11.016.

13. Khazen K., von Bardeleben H.J., Zargaleh S.A., Cantin J.L., Zhao M., Gao W., Biktagirov T., Gerstmann U. High-resolution resonant excitation of NV centers in 6H − SiC: A matrix for quantum technology applications. Phys. Rev. B, 2019, vol. 100, no. 20, art. 205202. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.205202.

14. Murzakhanov F.F., Sadovnikova M.A., Mamin G.V., Nagalyuk S.S., von Bardeleben H.J., Schmidt W.G., Biktagirov T., Gerstmann U., Soltamov V.A. 14N Hyperfine and nuclear interactions of axial and basal NV centers in 4H-SiC: A high frequency (94 GHz) ENDOR study. J. Appl. Phys., 2023, vol. 134, no. 12, art. 123906. https://doi.org/10.1063/5.0170099.

15. Singh L.R. Site symmetry dependence on luminescence emission of Y2O3:Eu3+ dispersed in silica matrix. Mater. Technol., 2022, vol. 37, no. 11, pp. 1906–1913. https://doi.org/10.1080/10667857.2021.2005983.

16. Murzakhanov F.F., Sadovnikova M.A., Gracheva I.N., Mamin G.V., Baibekov E.I., Mokhov E.N. Exploring the properties of the VB− defect in hBN: Optical spin polarization, Rabi oscillations, and coherent nuclei modulation. Nanotechnology, 2024, vol. 35, no. 15, art. 155001. https://doi.org/10.1088/1361-6528/ad1940.

17. Murzakhanov F., Sadovnikova M., Mamin G., Sannikov K., Shakirov A., von Bardeleben H.J., Mokhov E., Nagalyuk S. Room temperature coherence properties and 14N nuclear spin readout of NV centers in 4H–SiC. Appl. Phys. Lett., 2024, vol. 124, no. 3, art. 034001. https://doi.org/10.1063/5.0186997.

18. Son N.T., Ivanov I.G. Charge state control of the silicon vacancy and divacancy in silicon carbide. J. Appl. Phys., 2021, vol. 129, no. 21, art. 215702. https://doi.org/10.1063/5.0052131.