导 读
近日，美国芝加哥大学David D. Awschalom教授研究团队针对碳化硅点缺陷材料进行了表面声波的高斯聚焦处理，研究了碳化硅中自旋声子的相互作用，并提供了纳米空间分辨率下的直接应变振幅信息，以及其他机械驱动的Autler-Townes分裂和磁禁Rabi振荡相关实验结果等。本次研究结果以“Spin–phonon interactions in silicon carbide addressed by Gaussian acoustics”为题发表于Nature Physics上。
混合量子系统可以利用量子信息进行各种形式的实践，如用于长距离传输的量光子，用于信息存储的自旋行为以及用于计算的微波超导电路等。在混合量子系统中，光学活性缺陷自旋与机械谐振器之间的量子信息相干交换提供了将光子耦合到微波频率声子的途径。最近已有研究表明，SiC中的光学活性缺陷自旋（例如中性双空位）具有长寿命自旋态，可进行各种量子控制以及支持与量子纠缠协议兼容的自旋光子界面。重要的是，SiC是一种压电材料，现已有支持成熟的制造工艺来生产高质量的微机电系统(MEMS)。尽管在类似的缺陷系统中，耦合自旋在力学的相关研究方面已经取得了进展，如在相干传感的金刚石的氮空位中心可进行单自旋、应变调谐和机械驱动等行为，但SiC中的缺陷仍然是解决机械材料自旋-声子强耦合性问题的更好选择。
混合自旋机械系统为集成量子寄存器和传感器提供了一个很好的平台，如果想要有效地创建和控制这一系统，需要全面了解各个自旋和机械部件以及它们之间的相互作用。目前而言，碳化硅(SiC)点缺陷材料是高质量机械集成谐振器的优势候选者，利用碳化硅制备的晶圆级材料自旋寄存器往往具有长寿命、低损耗等特点。
在这里，研究人员展示了碳化硅表面声波的高斯聚焦，利用x射线衍射成像技术进行了表征，提供了纳米空间分辨率下的直接应变振幅信息。利用ab initio计算，研究人员为具有C3v 对称性的SiC材料的各种缺陷提供了更完整的自旋-应变耦合图，揭示了剪切应变对于增强自旋-机械耦合性器件开发的重要意义，同时，研究人员展示了在非微波磁场下声学顺磁共振的全光学检测以及机械驱动的Autler-Townes分裂和磁禁Rabi振荡。以上实验结果为控制三级自旋系统的完全应变提供了基础。
图1 使用高斯SAW谐振器进行应变聚焦
a，在溅射AlN的4H-SiC衬底上制备SAW器件的几何示意图。
b，高斯SAW谐振器声学焦点处的光学显微照片，红线表示波的平面外位移。
c，旋转实验中对单端口反射幅度（蓝色）和相位（红色）的测量。
d，e，与高斯SAW谐振器类似的机械模式。
图2 在碳化硅中光学检测声学顺磁共振
a，能级图
b，上：磁场调制期间的泵探针序列；下：当电激励开启和关闭腔共振时，在30K时的光致发光（PL）对比度。
c，共振的积分光致发光对比度与SAW谐振器横向位置的函数关系
图3 kk旋转系综的相干机械驱动
a，磁和机电驱动器的双字节基态图示。
b，30 K温度下对kk旋转系综的Autler-Townes测量
c，由Autler-Townes（AT）分裂得到的机械转变速率与驱动功率值的平方根线性拟合一致。
d，机械驱动的Rabi振荡的脉冲序列。
e，机械驱动的Rabi振荡分别为~400,100和25 mW。
图4空间映射机械自旋驱动率和缺陷比较
a,kk-1子级的Autler-Townes分裂绘制为x=0横向位置的函数；
b,机械转变率绘制为为y=0处纵向位置的函数。
c,COMSOL Multiphysics建模的SAW的应变。
d,在不同微波频率下对kk，hh和PL6的Autler–Townes分裂测量。
文章链接
https://www.nature.com/articles/s41567-019-0420-0
编辑推荐
长按二维码
关注我们吧
精彩回顾
两江科技评论编辑部
免责声明：本文旨在传递更多科研信息及分享，提供志同道合者的交流平台。如涉及侵权，请联系下方邮箱，我们将及时进行修改或删除。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
邮箱：janechou@imeta-center.com
微信号：Jessica_2313 、18796017560