The Signal
I ricercatori dimostrano il controllo ottico dello spin di un donatore in ZnSe
Un gruppo di ricerca riferisce di aver inizializzato, letto e controllato coerentemente per via ottica lo spin di un singolo elettrone legato a un donatore di cloro in un pozzo quantico di ZnSe. Le misure comprendono oscillazioni di Rabi, i
Quantum.world Team · Scritto con l’IA · verificato ·
Secondo un articolo pubblicato su arXiv il 27 ottobre, ora è possibile inizializzare, leggere e controllare coerentemente per via ottica un singolo donatore di cloro nel seleniuro di zinco. Le misure collegano lo spin di un elettrone legato al donatore alle transizioni ottiche in un pozzo quantico di ZnSe e mostrano sia rotazioni dello spin sia interferenza di Ramsey. Gli autori riportano un tempo di rilassamento dello spin di 18,5 ± 3,8 microsecondi, limitato non da un’inversione dello spin misurata, ma dalla perdita di carica del donatore.
«Qui dimostriamo l’inizializzazione ottica, il controllo coerente e la lettura dello spin di un singolo elettrone legato a un donatore in ZnSe.»
Yuxi Jiang et al.
Un donatore di cloro diventa un qubit di spin ottico
L’esperimento utilizza un singolo elettrone legato a un donatore di cloro in un pozzo quantico di ZnSe. I ricercatori hanno collocato lo strato drogato tra barriere di seleniuro di zinco e magnesio e hanno modellato la struttura in pilastri nanometrici con lenti a immersione solida integrate, per raccogliere la luce dei singoli emettitori. Le misure sono state condotte a 3,6 kelvin, con un campo magnetico nel piano che separa gli stati di spin dell’elettrone e produce transizioni ottiche distinte, selettive rispetto allo spin.
L’eccitazione di una transizione porta l’elettrone in uno stato di spin diverso; la fluorescenza di un’altra transizione permette poi di leggere la popolazione. Al ritardo minimo della sequenza di inizializzazione e verifica, la fluorescenza di lettura era 1,71 volte quella di inizializzazione: gli autori interpretano questo contrasto come prova di un’efficace preparazione dello spin. Un’analisi supplementare stima che, dopo un pompaggio prolungato, la fedeltà della preparazione si avvicini a 0,95, limitata dall’eccitazione residua fuori risonanza.
È la perdita di carica, non l’inversione dello spin, a limitare la durata misurata
Per misurare il rilassamento, il gruppo ha preparato lo spin, ha atteso al buio per un intervallo variabile e ha poi usato la fluorescenza per verificare se fosse rimasto nello stato bersaglio. Il tempo di rilassamento misurato è stato di 18,5 ± 3,8 microsecondi. Il decadimento osservato era causato principalmente dal tunneling della carica: l’elettrone del donatore abbandona lo stato necessario alla misura ottica prima che diventi visibile un’inversione intrinseca dello spin.
Gli autori fissano quindi un limite inferiore di 0,51 millisecondi, con un livello di confidenza del 90%, per il tempo di inversione intrinseca dello spin. Non si tratta di un tempo di coerenza misurato e non significa che il dispositivo attuale conservi uno spin leggibile così a lungo. Indica che ridurre il tunneling della carica potrebbe prolungare il rilassamento osservato verso un limite di inversione dello spin sostanzialmente più lungo.
Impulsi di pochi picosecondi ruotano lo spin
Per il controllo coerente, i ricercatori hanno applicato impulsi ottici fuori risonanza generati da un laser da 2,3 picosecondi, la cui frequenza è stata raddoppiata per ottenere una lunghezza d’onda di 436,3 nanometri. Gli impulsi erano detunati verso il rosso di 700 gigahertz rispetto alla transizione ottica, per ridurre l’occupazione indesiderata dello stato eccitato. All’aumentare della potenza degli impulsi, la popolazione di spin misurata oscillava, mostrando rotazioni di Rabi; la rotazione massima ottenuta dal fit ha raggiunto 5π/2, limitata dalla potenza laser disponibile.
Una coppia di impulsi ha prodotto interferenza di Ramsey, segno della precessione dello spin tra le rotazioni. Con un campo magnetico di 4 tesla, il periodo di oscillazione osservato è stato di 16 ± 1 picosecondi, vicino ai 15,3 picosecondi attesi in base al fattore g dell’elettrone misurato. L’articolo riporta inoltre un tempo di perdita di fase non omogenea, T2*, di 21,9 nanosecondi ricavato da misure di intrappolamento coerente della popolazione. La scansione del ritardo di Ramsey si è estesa soltanto fino a 1,2 nanosecondi, a causa della corsa limitata dello stadio meccanico di ritardo.
Quattro risonanze scure rivelano lo spin nucleare
Quando due transizioni ottiche selettive rispetto allo spin sono state eccitate insieme, la fluorescenza è diminuita nettamente alla risonanza a due fotoni. Gli autori attribuiscono il calo all’intrappolamento coerente della popolazione: i due campi ottici preparano una sovrapposizione di stati di spin che non si accoppia più allo stato eccitato. Il contrasto del calo ha raggiunto 0,83 ± 0,02, mentre la larghezza di riga misurata e un modello del sistema hanno fornito la stima di 21,9 nanosecondi per il tempo di perdita di fase.
Con un’eccitazione ottica più intensa, la risonanza scura si è separata in più strutture. Gli autori identificano quattro risonanze associate all’interazione iperfine tra l’elettrone e il nucleo di cloro, che ha spin I = 3/2. Il risultato aggiunge alle misure un grado di libertà nucleare, mentre i limiti pratici del dispositivo attuale restano chiari: una misura del tempo di rilassamento di 18,5 microsecondi limitata dal tunneling della carica e un tempo di perdita di fase non omogenea di 21,9 nanosecondi.