Forskare från Paul-Drude-Institut i Berlin, Helmholtz-Zentrum i Dresden och Ioffe-institutet i St. Petersburg har demonstrerat användningen av elastiska vibrationer för att manipulera spinntillstånden hos optiskt aktiva färgcentra i SiC vid rumstemperatur. De visar ett icke-trivialt beroende av de akustiskt inducerade spinnövergångarna på spinnkvantiseringsriktningen, vilket kan leda till kirala spin-akustiska resonanser. Dessa fynd är viktiga för tillämpningar i framtida kvantelektroniska enheter och har nyligen publicerats i Fysiska granskningsbrev .

Färgcentra i fasta ämnen är optiskt aktiva kristallografiska defekter som innehåller en eller flera fångade elektroner. Av särskilt intresse för tillämpningar inom kvantteknologi är optiskt adresserbara färgcentra, det är, gitterdefekter vars elektroniska spinntillstånd kan selektivt initieras och avläsas med hjälp av ljus. Förutom initiering och utläsning, det är också nödvändigt att utveckla effektiva metoder för att manipulera deras spinntillstånd, och därmed den information som lagras i dem. Även om detta vanligtvis realiseras genom att använda mikrovågsfält, en alternativ och effektivare metod kan vara användningen av mekaniska vibrationer. Bland de olika materialen för implementering av sådana stambaserade teknologier, SiC väcker växande uppmärksamhet som ett robust material för nano-elektromekaniska system med en ultrahög känslighet för vibrationer som också är värd för mycket koherenta optiskt aktiva färgcentra.

I ett nyligen publicerat verk i Fysiska granskningsbrev , forskning från Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik, Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf och Ioffe-institutet har demonstrerat användningen av elastiska vibrationer för att manipulera spinntillstånden hos optiskt aktiva färgcentra i SiC vid rumstemperatur. I sin studie, författarna använder den periodiska moduleringen av SiC-kristallgittret för att inducera övergångar mellan spinnnivåerna i kiselvakanscentret, ett optiskt aktivt färgcentrum med spin S=3/2. Av särskild betydelse för framtida tillämpningar är det faktum att, i motsats till de flesta atomliknande ljuscentra, där observation av belastningsinducerade effekter kräver kylning av systemet till mycket låga temperaturer, effekterna som rapporterats här observerades vid rumstemperatur.

För att koppla gittervibrationerna till kiselvakanscentra, författarna skapade först selektivt sådana centra genom att bestråla SiC med protoner. Sedan tillverkade de en akustisk resonator för excitering av stående akustiska ytvågor (SAW) på SiC. SAWs är elastiska vibrationer begränsade till ytan av ett fast material som liknar seismiska vågor som skapas under en jordbävning. När frekvensen för SAW matchar resonansfrekvenserna för färgcentra, elektronerna som är fångade i dem kan använda energin från SAW för att hoppa mellan de olika spindelnivåerna. På grund av den speciella karaktären hos spin-töjningskopplingen, SAW kan inducera hopp mellan spinntillstånd med magnetiska kvanttalsskillnader Δm=±1 och Δm=±2, medan mikrovågsinducerade sådana är begränsade till Δm=±1. Detta gör det möjligt att realisera full kontroll över spintillstånden med hjälp av högfrekventa vibrationer utan hjälp av externa mikrovågsfält.

Dessutom, på grund av den inneboende symmetrin hos SAW-stamfälten i kombination med de speciella egenskaperna hos halvheltalsspinnsystemet, intensiteten av sådana spinnövergångar beror på vinkeln mellan SAW-utbredning och spinnkvantiseringsriktningar, som kan styras av ett externt magnetfält. Dessutom, författarna förutspår en kiral spin-akustisk resonans under resande SAW. Detta innebär att, under vissa experimentella förhållanden, spinnövergångarna kan slås på eller av genom att invertera magnetfältet eller SAW-utbredningsriktningen.

Dessa fynd etablerar kiselkarbid som en mycket lovande hybridplattform för spin-optomekanisk kvantkontroll på chip som möjliggör konstruerade interaktioner vid rumstemperatur.