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Centro de vacantes de silicio en el diamante

El modelo de semi-divacancia del centro Si-V, que también es común para otras impurezas grandes en el diamante, como Ni, Co, Ge y S.
Mapas de luminiscencia del centro Si-V en el diamante producido por implantación iónica: xy (arriba) y xz (abajo). El mapa de profundidad xz se midió a lo largo de la línea negra en la imagen superior. [1]

El centro de vacancia de silicio (Si-V) es un defecto ópticamente activo en el diamante (denominado centro de color) que está despertando cada vez más interés en la comunidad de investigación de diamantes. Este interés se debe principalmente a las propiedades ópticas coherentes del Si-V, especialmente en comparación con el conocido y ampliamente estudiado centro de vacancia de nitrógeno (NV).

Propiedades

Cristalográfico

El centro Si-V se forma reemplazando dos átomos de carbono vecinos en la red del diamante por un átomo de silicio , que se coloca entre los dos sitios de red vacantes. Esta configuración tiene una simetría de grupo puntual D 3d . [2]

Electrónico

El centro Si-V es un sistema de un solo agujero (spin-1/2) con estados electrónicos excitados y fundamentales ubicados dentro de la banda prohibida del diamante. Los estados electrónicos excitados y fundamentales tienen dos estados orbitales divididos por acoplamiento espín-órbita . Cada uno de estos estados espín-órbita está doblemente degenerado por el espín, y esta división puede verse afectada por la tensión reticular. Los fonones en la red del diamante impulsan las transiciones entre estos estados orbitales, lo que provoca un rápido equilibrio de la población orbital a temperaturas superiores a aproximadamente 1 K. [3]

Las cuatro transiciones entre los dos estados orbitales fundamentales y los dos excitados se permiten mediante dipolo con una línea de fonón cero (ZPL) aguda a 738 nm (1,68 eV) [4] y una banda lateral fonónica mínima en una ventana de aproximadamente 20 nm alrededor de 766 nm. [5] El centro Si-V emite mucho más de su emisión en su ZPL, aproximadamente el 70% ( factor de Debye-Waller de 0,7), que la mayoría de los otros centros ópticos en el diamante, como el centro de nitrógeno-vacante (factor de Debye-Waller ~ 0,04). [6] El centro Si-V también tiene estados excitados más altos que se relajan rápidamente a los estados excitados más bajos, lo que permite una excitación fuera de resonancia.

El centro Si-V tiene una simetría de inversión y no tiene momento dipolar eléctrico estático (de primer orden); por lo tanto, es insensible al desplazamiento de Stark que podría resultar de campos eléctricos no homogéneos dentro de la red del diamante. Esta propiedad, junto con el débil acoplamiento electrón-fonón, da como resultado una ZPL estrecha en el centro Si-V, que está limitada principalmente por su vida útil intrínseca. [7] La ​​fotoluminiscencia brillante , las líneas ópticas estrechas y la facilidad para encontrar centros Si-V ópticamente indistinguibles los favorecen para aplicaciones en óptica cuántica de estado sólido .

Girar

Aunque las transiciones ópticas del centro Si-V preservan el espín del electrón , la rápida mezcla inducida por fonones entre los estados orbitales Si-V provoca decoherencia de espín. Sin embargo, es posible utilizar el espín nuclear 29 Si del Si-V como un qubit para aplicaciones de información cuántica . [8] [9] [10]

Referencias

  1. ^ Liu, Yan; Chen, Gengxu; Rong, Youying; McGuinness, Liam Paul; Jelezko, Fedor; Tamura, Syuto; Tanii, Takashi; Teraji, Tokuyuki; Onoda, Shinobu; Ohshima, Takeshi; Isoya, Junichi; Shinada, Takahiro; Wu, E; Zeng, Heping (2015). "Cambio de polarización de fluorescencia desde un único centro de color de vacancia de silicio en diamante". Scientific Reports . 5 : 12244. Bibcode :2015NatSR...512244L. doi :10.1038/srep12244. PMC  4511871 . PMID  26202940.
  2. ^ Becker, Jonas Nils; Neu, Elke (1 de enero de 2020), Nebel, Christoph E.; Aharonovich, Igor; Mizuochi, Norikazu; Hatano, Mutsuko (eds.), "Capítulo siete: el centro de vacantes de silicio en el diamante", Semiconductors and Semimetals , Diamond for Quantum Applications Part 1, vol. 103, Elsevier, págs. 201–235, doi :10.1016/bs.semsem.2020.04.001 , consultado el 7 de noviembre de 2024
  3. ^ Jahnke, KD; Sipahigil, A.; Binder, JM; Doherty, MW; Metsch, M.; Rogers, LJ; Manson, NB; Lukin, MD; Jelezko, F. (abril de 2015). "Procesos electrón-fonón del centro de vacancia de silicio en el diamante". New Journal of Physics . 17 (4): 043011. arXiv : 1411.2871 . Bibcode :2015NJPh...17d3011J. doi :10.1088/1367-2630/17/4/043011. S2CID  17590913.
  4. ^ Feng, T.; Schwartz, BD (1993). "Características y origen del centro de luminiscencia de 1,681 eV en películas de diamante depositadas químicamente mediante vapor". Journal of Applied Physics . 73 (3): 1415. Bibcode :1993JAP....73.1415F. doi :10.1063/1.353239.
  5. ^ Dietrich, A.; Jahnke, K. D.; Binder, J. M.; Teraji, T.; Isoya, J.; Rogers, L. J.; Jelezko, F. (2014). "Características espectrales que varían isotópicamente de la vacancia de silicio en el diamante". New Journal of Physics . 16 (11): 113019. arXiv : 1407.7137 . doi :10.1088/1367-2630/16/11/113019. S2CID  119303095.
  6. ^ Aharonovich, I.; Castelletto, S.; Simpson, DA; Su, C. -H.; Greentree, AD; Prawer, S. (2011). "Emisores monofotónicos basados ​​en diamantes". Informes sobre el progreso en física . 74 (7): 076501. Bibcode :2011RPPh...74g6501A. doi :10.1088/0034-4885/74/7/076501. S2CID  123302785.
  7. ^ Rogers, LJ; Jahnke, KD; Teraji, T.; Marseglia, L.; Müller, C.; Naydenov, B.; Schauffert, H.; Kranz, C.; Isoya, J.; McGuinness, LP; Jelezko, F. (2014). "Múltiples emisores de fotón único intrínsecamente idénticos en estado sólido". Comunicaciones de la naturaleza . 5 : 4739. arXiv : 1310.3804 . Código Bib : 2014NatCo...5.4739R. doi : 10.1038/ncomms5739. PMID  25162729. S2CID  19581092.
  8. ^ Rogers, LJ; Jahnke, KD; Metsch, MH; Sipahigil, A.; Binder, JM; Teraji, T.; Sumiya, H.; Isoya, J.; Lukin, MD; Hemmer, P.; Jelezko, F. (2014). "Inicialización totalmente óptica, lectura y preparación coherente de espines de vacancia de silicio individuales en diamante". Physical Review Letters . 113 (26): 263602. arXiv : 1410.1355 . Código Bibliográfico :2014PhRvL.113z3602R. doi :10.1103/PhysRevLett.113.263602. PMID  25615330. S2CID  7492043.
  9. ^ Pingault, B.; Becker, JN; Schulte, CHH; Arend, C.; Hepp, C.; Godde, T.; Tartakovskii, AI; Markham, M.; Becher, C.; Atatüre, M. (2014). "Formación totalmente óptica de estados oscuros coherentes de espines de silicio-vacante en diamante". Physical Review Letters . 113 (26): 263601. arXiv : 1409.4069 . Código Bibliográfico :2014PhRvL.113z3601P. doi :10.1103/PhysRevLett.113.263601. PMID  25615329. S2CID  15711479.
  10. ^ Stas, P.-J.; Huan, YQ; Machielse, B.; Knall, EN; Suleymanzade, A.; Pingault, B.; Sutula, M.; Ding, suroeste; Knaut, CN; Assumpcao, DR; Wei, Y.-C.; Bhaskar, MK; Riedinger, R.; Sukachev, DD; Parque, H.; Lončar, M.; Levonian, D.; Lukin, MD (2022). "Robusto nodo de red cuántica multi-qubit con detección de errores integrada". Ciencia . 378 (6619): 557–560. arXiv : 2207.13128 . Código Bib : 2022 Ciencia... 378.. 557S. doi : 10.1126/ciencia.add9771. Número de modelo: PMID  36378964. Número de modelo: S2CID  251105100.
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