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Engineered electron-phonon interaction of negatively charged Silicon-Vacancy center in nanostructured diamond.

Subject Area Experimental Condensed Matter Physics
Optics, Quantum Optics and Physics of Atoms, Molecules and Plasmas
Term from 2018 to 2023
Project identifier Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 398628099
 
Final Report Year 2023

Final Report Abstract

Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die gezielte Veränderung der Elektron-Phonon Wechselwirkung von Quantenemittern in Festkörpern, um damit zum einen limitierende Faktoren der Kohärenzzeiten zu verbessern und zum anderen höhere Betriebstemperaturen zu erreichen. Ein sehr passendes System sind negativgeladene Silizium-Fehlstellen-Zentren in Diamant (SiV-). Die SiV--Zentren zeichnen sich durch hervorragende optische Eigenschaften aus, sind jedoch aufgrund schneller orbitaler Relaxationsraten in Ihren Spin-Kohärenzzeiten limitiert. Daher ist für die Nutzung in Anwendungen, wie beispielsweise als Quanten-Netzwerkknoten, die Kühlung unterhalb von 1K, was den Einsatz von He-Verdünnungskryostaten erfordert, oder der Betrieb unter hohem Strain nötig. In diesem Projekt konnten wir zeigen, dass durch gezielte Veränderung der Elektron- Phonon-Kopplung auch ein Betrieb bei 5 K – 10 K möglich ist. Um dies zu erreichen, setzten wir auf die Veränderung der Phononen-Zustandsdichte. Wir benutzen SiV--Zentren in Nanodiamanten, um durch die kleine Größe des Diamanthosts die relevanten Phononenmoden zu unterdrücken. Relevante Phononenmoden sind insbesondere Phononen, welche mit der Aufspaltung der Grundzustände von etwa 50 GHz, resonant sind. Diese Phononen führen durch eine resonant Kopplung zu einer schnellen Relaxation der Orbitalzustände, was wiederum für die kurzen Spin- Dekohärenzmechanismen verantwortlich ist. Für Diamantgrößen von einigen zehn Nanometer werden eben die Phononenfrequenzen unterdrückt die resonant mit dem Feinstrukturübergang sind. Herausforderungen dieser Strategie kommen durch die kleine Größe der Nanodiamanten und die damit verbundene Nähe der Farbzentren zur Diamantoberfläche. Dadurch kommt es zu Photoinstabilität und spektraler Instabilität, was in den Experimenten kontrolliert werden muss. Uns ist es gelungen, die orbitalen Relaxationsraten von SiV--Zentren in Nanodiamanten zu vermessen und zu zeigen, dass diese um bis zu einer Größenordnung länger sind als phononen-limiterte Relaxationsraten in vergleichbaren bulk Diamant. Darüber hinaus liegen die Operationstemperaturen im moderaten Bereich von 5-10 K. Die verlängerten orbitalen Relaxationsraten wurden mit einer verlängerten Spin-Dephasierungszeit in Einklang gebracht. Hierfür wurden Experimente des kohärenten Populationstrappings (CPT) durchgeführt. Über die Linienbreiten der CPT Resonanzen konnte die entsprechenden Kohärenzzeiten abgeschätzt werden. Durch das Projekt konnte wir zeigen, dass die Limitationen für die kurzen Kohärenzzeiten von SiV—Zentren in Diamant durch eine modifizierte Elektron-Phonon-Wechselwirkung in Nanodiamanten überwunden werden können. SiV--Zentren in Nanodiamanten können in hybrider Quantentechnologie eingesetzt werden um Anwendungen auf den Gebieten der Quantenrepeater, der Quantensensorik oder des Quantenrechnens zu verfolgen.

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