纳米地震控制碳化硅中的自旋中心

来自柏林 Paul-Drude-Institut、德累斯顿 Helmholtz-Zentrum 和圣彼得堡 Ioffe 研究所的研究人员已经证明了在室温下使用弹性振动来操纵 SiC 中光学活性色心的自旋状态。它们显示了声学诱导的自旋跃迁对自旋量子化方向的非平凡依赖性，这可能导致手性自旋声共振。这些发现对于未来量子电子设备的应用很重要，最近发表在《物理评论快报》上。

固体中的色心是包含一个或多个俘获电子的光学活性晶体缺陷。量子技术应用特别感兴趣的是光学可寻址色心，即可以使用光选择性初始化和读出其电子自旋状态的晶格缺陷。除了初始化和读出之外，还需要开发有效的方法来操纵它们的自旋状态，从而操纵它们中存储的信息。虽然这通常是通过应用微波场来实现的，但另一种更有效的方法可能是使用机械振动。在用于实施这种基于应变的技术的不同材料中，

在最近发表在《物理评论快报》上的一项工作中，Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik、Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf 和 Ioffe 研究所的研究证明了使用弹性振动来操纵光学活性色心的自旋状态室温下的碳化硅。在他们的研究中，作者使用 SiC 晶格的周期性调制来诱导硅空位中心的自旋能级之间的转变，硅空位中心是自旋 S=3/2 的光学活性色心。对于未来的应用特别重要的是，与大多数类似原子的光中心相比，应变诱导效应的观察需要将系统冷却到非常低的温度，这里报告的效应是在室温下观察到的。

为了将晶格振动耦合到硅空位中心，作者首先通过用质子照射 SiC 来选择性地创建这样的中心。然后他们制造了一个声学谐振器，用于在 SiC 上激发声表面驻波 (SAW)。SAW 是局限于固体表面的弹性振动，类似于地震期间产生的地震波。当 SAW 的频率与色心的共振频率匹配时，被困在其中的电子可以利用 SAW 的能量在不同的自旋子能级之间跳跃。由于自旋应变耦合的特殊性，SAW可以在磁量子数差Δm=±1和Δm=±2的情况下诱导自旋态之间的跳跃，而微波诱导的磁量子数差仅限于Δm=±1。这允许实现完全控制在没有外部微波场的帮助下使用高频振动的自旋状态。

此外，由于 SAW 应变场的固有对称性与半整数自旋系统的特殊性质相结合，这种自旋跃迁的强度取决于 SAW 传播和自旋量化方向之间的角度，这可以通过外磁场。此外，作者预测了行进 SAW 下的手性自旋声共振。这意味着，在某些实验条件下，可以通过反转磁场或 SAW 传播方向来打开或关闭自旋跃迁。

这些发现将碳化硅确立为一种非常有前途的混合平台，用于片上自旋光机械量子控制，能够在室温下进行工程交互。

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