Название:	Создание и исследование оптически активных спиновых структур в карбиде кремния и родственных полупроводниках как материальной платформы для спинтроники, наноразмерной сенсорики, квантовой обработки информации, разработки гибридных квантовых систем
Грантодатель:	Гранты РНФ
Область знаний:	02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления
Ключевые слова:	электронный спин, ядерный спин, сверхтонкое взаимодействие, магнитный резонанс, спиновое эхо, ОДМР, люминесценция, полупроводники, наноструктуры, спинтроника, квантовые сенсоры, поляризация ядер, кубит, конфокальный микроскоп, атомно-силовой микроскоп
Тип:	исследовательский
Руководитель(и):	Баранов,ПГ
Подразделения:	лаб. микроволновой спектроскопии кристаллов (Баранова,ПГ)
Код проекта:	20-12-00216

Аннотация Физика оптически активных спиновых структур атомарных размеров в широкозонных полупроводниках привлекла исключительное внимание в последнее десятилетие, поскольку она обеспечивает проявление фундаментальных квантовых явлений, известных из атомной физики, в твердотельной среде, которая имеет очевидные преимущества по сравнению с одиночными атомами, стабилизированными, например, в электромагнитных ловушках. Фундаментальная квантово-механическая природа спина делает его идеальным кандидатом для использования в качестве квантового бита, базовой единицы информации в архитектуре квантовых вычислений. Отдельные спины могут быть инициализированы, когерентно контролироваться и считываться с использованием различных оптических и электронных методов. Для определенных структур атомарных размеров электронные спиновые состояния изолированы от динамики кристаллической решетки, что приводит к увеличению времени квантовой когерентности, которое сохраняется вплоть до комнатной температуры. Благодаря большим временам спиновой когерентности при комнатных температурах такие структуры открывают пути для создания нового поколения квантовых устройств с возможностью управления спинами путем воздействия оптическими и микроволновыми полями в условиях окружающей среды. Эти центры являются важными строительными блоками для спинтроники, сенсорики и квантовых вычислений. Поиск новых спиновых систем, в которых возможно управление спиновыми состояниями квантовых ансамблей и одиночных квантовых объектов путем воздействия оптическими, электрическими и микроволновыми методами в непрерывном и импульсном режимах при комнатных температурах является одной из приоритетных задач. Общепризнано, что карбид кремния является одним из наиболее перспективных материалом для разработки технологий, которые стремятся интегрировать квантовые степени свободы в традиционные электронные и фотонные устройства. Используя преимущества квантовой природы электронных спинов, локализованных в местах дефектов, можно создать квантово-классические гибридные технологии, которые предлагают принципиально новые функциональные возможности, недоступные в современной оптоэлектронике. Экологическая чистота и биологическая совместимость карбида кремния может найти широкое применение для создания квантовых сенсоров субмикронных размеров для измерения магнитных, электрических, температурных полей, локальных напряжений в биофизических структурах, включая и живые системы. Важным преимуществом спиновых центров в карбиде кремния являются их оптические характеристики, лежащие в ближнем инфракрасном (ИК) диапазоне, совместимом с волоконной оптикой и окном прозрачности биологических объектов. Дополнительным преимуществом являются микроволновые характеристики, лежащие в мегагерцовом диапазоне, то есть совместимые с хорошо разработанной техникой ядерного магнитного резонанса (ЯМР) и ЯМР томографии. Отличительной особенностью карбида кремния является коммерческая доступность материалов в виде пластин больших размеров и отработанная технология создания приборов на основе этого материала. Рассматриваемые спиновые структуры позволяют реализовать фантастический сценарий – создание твердотельного прибора атомарных размеров, работающего в условиях окружающей среды. Исключительные физические свойства карбида кремния дают возможность его использования в экстремальных условиях внешней среды: высоких температурах, высоких уровнях радиации, химически активных и агрессивных средах. Приборы и устройства на основе карбида кремния идеально подходят для работы в космическом пространстве, о чем свидетельствуют последние публикации NASA, где создаются сенсоры магнитного поля на основе спиновых центров, при этом используются эффекты, опубликованные ранее участниками проекта. На спиновых явлениях основан один из самых мощных аналитических методов, доступных сегодня для физиков, химиков, биологов– метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и его развитие в виде электронного спинового эха (ЭСЭ), двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР), оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) и электрически детектируемого магнитного резонанса (ЭДМР). Будет использовано и усовершенствовано в рамках проекта не имеющее зарубежных аналогов лабораторное оборудование, ранее разработанное участниками проекта: спектрометры ЭПР-ЭСЭ-ОДМР-ОДЦР высокочастотного диапазона, а также сканирующий спектрометр ОДМР на основе конфокального и зондового микроскопов, позволяющий исследовать малые объемы вещества в пределах сфокусированного лазерного луча, вплоть до регистрации одиночных квантовых объектов – спинов и фотонов. Эти исследования будут применены для локальной диагностики магнитных и электрических полей, температуры и создания сенсоров с микронным и субмикронным пространственным разрешением, работающих в условиях окружающей среды. Таким образом, спиновые центры окраски в карбиде кремния обеспечивают уникальную платформу для квантовых информационных технологий, создания аппаратного обеспечения принципиально новых систем, работающих в условиях окружающей среды, включая развитие Искусственного Интеллекта (Machine Learning). Участники проекта обладают развитой технологической базой по росту карбида кремния, введению примесей в кристаллы, выращивание кристаллов с измененной изотопной композицией, что позволяет варьировать содержание изотопов кремния Si-29 и углерода C-13, обладающих ядерными магнитными моментами, влияющих на когерентные свойства спинов. Все исследования будут новыми и соответствовать мировому уровню, а по ряду результатов будут превышать мировой уровень. Ожидаемые результаты В проекте предполагается проведение фундаментальных исследований собственных и примесных спиновых структур и спин-зависимых явлений в наиболее перспективном для применений широкозонном полупроводнике – карбиде кремния и наноструктурах на его основе. Для исследований будут использоваться новое инновационное оптическое и радиоспектроскопическое оборудование, созданное исследовательской группой в рамках федеральных целевых программ и не имеющее мировых аналогов. Поиск новых спиновых систем, в которых возможно управление спиновыми состояниями квантовых ансамблей и одиночных квантовых объектов путем воздействиями оптическими, электрическими и микроволновыми методами в непрерывном и импульсном режимах при комнатных температурах является одной из приоритетных задач. Предполагается, что ансамбли спиновых центров окраски в карбиде кремния обеспечивают уникальную платформу для квантовых информационных технологий, создания аппаратного обеспечения принципиально новых систем, работающих в условиях окружающей среды, включая развитие Искусственного Интеллекта (Machine Learning). Все исследования будут новыми, и соответствовать мировому уровню, а по ряду результатов превышать мировой уровень. Значимость этих работ обусловлена взрывным ростом исследований в мире по данной тематике, а также признанием приоритета участников исследовательской группы в предложении использовать спиновые центры в карбиде кремния в современных технологиях, развитии новых методов регистрации спиновых явлений. 1. Будут проведены исследования по созданию нового класса систем с набором магнитных, электрических и микроволновых характеристик на базе спиновых центров окраски в SiC гексагональных (4H-, 6H-SiC) и ромбических (15R-, 21-SiC) политипов, содержащих дефекты с уникальными свойствами и с оптически управляемой поляризацией спиновых магнитных моментов при комнатных температурах. Будет изучено влияние локальных искажений политипа (stacking fault) на параметры спиновых центров, позволяющие селективно манипулировать спиновыми состояниями отдельных центров. Будут предложены методы диагностики локального политипного состава методами ОДМР при комнатных температурах. 2. Будут проведены исследования спиновых структур в карбиде кремния основных политипов методами высокочастотного ЭПР, ЭСЭ, ДЭЯР, ОДМР для идентификации процессов оптически индуцированного выстраивания и поляризации населенностей спиновых подуровней в нулевом и высоких магнитных полях и их зависимостей от политипного состава, позиции спинового центра в кристалле и температуры. 3. Будет исследовано явление антипересечения спиновых подуровней в созданном облучением наборе центров окраски в SiC различных политипов, характеризующихся различными расщеплениями тонкой структуры в мегагерцовом диапазоне частот и имеющих квадруплетную систему уровней (спин S=3/2) в основном и возбужденном состояниях. 4. Будет установлена энергетическая структура спиновых центров в возбужденном состоянии с временем жизни порядка 5-10 нс, однозначное определение расщепления тонкой структуры и сверхтонкого взаимодействия с магнитными ядрами карбида кремния в возбужденном состоянии. 5. Будут выращен кристалл карбида кремния политипа 6H-SiC с инверсным относительно природного содержания изотопным составом: 1% Si29 и 4.7 % C13 и проведение исследований сверхтонких взаимодействия в упомянутом кристалле. 6. Будут проведены исследования эффекта «выжигания провалов» (“hole burning”) в спектрах ОДМР спиновых центров в карбиде кремния основных политипов и наноструктурах на его основе. 7. Будут проведены исследования явления кросс-релаксации между спиновыми подуровнями активных центров окраски, в которых происходит оптически индуцированное выстраивание населенностей спиновых подуровней в нулевых и произвольных магнитных полях при комнатных температурах и различными парамагнитными дефектами, локализованных на атомных расстояниях от активных центров окраски, взаимодействие с которыми проявляется в изменении фотолюминесценции активных центров окраски. 8. Будет завершено создание линейки высокочастотных спектрометров магнитного резонанса, работающих на фиксированных частотах в 3- и 2- мм диапазонах длин волн в непрерывном и импульсном режимах, выполненных на общей технологической платформе, с единым аппаратным и программным обеспечением с использованием магнито-оптического криостата замкнутого цикла. Будут протестированы принципиально новые методы регистрации магнитных резонансов в высокочастотном диапазоне с модуляцией частоты. 9. Будут выполнены работы по обнаружению и классификации сверхтонких взаимодействий с ядрами окружения спиновых центров, используемых в качестве сенсоров магнитных и температурных полей, а также для записи и считывания когерентной информации при использовании спиновых центров в качестве элементной базы для квантовых вычислений. На основе анализа сверхтонких взаимодействий предполагается установление электронной структуры спиновых центров окраски и проведение исследований по осуществлению оптической поляризация ядер Si-29 и C-13 с использованием эффектов ОДМР и антипересечения уровней спиновых центров в SiC в основном и возбужденном состояниях и оптической регистрации ядерного магнитного резонанса на упомянутых ядрах. 10. Будут развиты методы электрического детектирования магнитного резонанса и антипересечения спиновых подуровней, а также оптического детектирования c использованием электрического возбуждения люминесценции центров окраски в приборных структурах (p-n переходах, p-i-n структурах) на основе карбида кремния. 11. На основе исследований явления антипересечения спиновых подуровней будет разработан набор сенсоров магнитного и температурного полей с субмикронным пространственным разрешением, работающих в условиях окружающей среды. 12. Будут созданы системы спиновых центров на основе пластин карбида кремния большого диаметра с пространственным градиентом концентрации спиновых центров в пределах пластины с изменением концентрация спиновых центров на 4-5 порядков вплоть до концентраций, в которых могут быть зарегистрированы оптически как ансамбли, так и одиночные спиновые центры, являющиеся также источниками одиночных фотонов. Ожидается выяснение механизмов взаимодействия между отдельными спиновыми центрами, влияние этих взаимодействий на когерентные свойства спиновых структур. 13. Будут проведены исследования переходных и редкоземельных примесей в карбиде кремния методами высокочастотного ЭПР, ЭСЭ и ОДМР с целью создания оптически активных спиновых структур для квантовых коммуникаций в полосе прозрачности волоконной оптики. При этом особое внимание будет уделено ионам эрбия Er3+, излучающим в диапазоне 1.5 мкм – основной длины волны для дальней оптической связи. Исследование спиновых структур на основе эрбия в карбиде кремния перспективно для использования их излучения в квантовых коммуникациях на большие расстояния. Будут введены в карбид кремния примеси титана, ванадия, молибдена, хрома, эрбия в процессе роста, а также путем диффузии или ионной имплантации. 14. Будут завершены работы по созданию и испытаниям сканирующего зондово-оптического спектрометра магнитного резонанса, работающего в непрерывном и импульсном режимах, который включает конфокальный оптический микроскоп и совмещенный с ним атомно-силовой микроскоп с рабочей частотой в диапазоне 1-4000 МГц и расширенным в ИК область оптическим диапазоном для исследования спиновых структур в карбиде кремния. При этом предполагается достижение чувствительности, позволяющей регистрировать небольшие квантовые ансамбли, вплоть до абсолютной чувствительности – регистрации отдельных квантовых объектов, отдельных спинов. Будет применена техника многочастотного магнитного резонанса, которая позволит увеличить чувствительность квантовых сенсоров магнитного поля. 15. Будет разработана схема управления в непрерывном и импульсном режимах магнитными свойствами малых массивов спинов вплоть до одиночных спинов, встроенных в решетку SiC, а также для создания элементной базы квантовых вычислений – кубитов (кудитов) и когерентного взаимодействия (перепутывания) между квантовыми состояниями. 16. На основе исследования явления кросс-релаксации между спиновыми подуровнями активных центров окраски и ближайших парамагнитных дефектов, получат развитие методики для регистрации магнитного резонанса в оптически неактивных («темных») дефектах, что рассматривается как перспективное направление для записи когерентной информации при квантовых вычислениях. 17. Будет рассмотрена возможность создания квантового твердотельного гироскопа, используя уникальные свойства ядер Si-29 и C-13, характеризующихся близкими по величине и противоположными по знаку ядерными магнитными моментами, что позволит скомпенсировать влияние внешних магнитных полей, подобно тому, как это осуществлено в газовых гироскопах на основе разных изотопов ксенона. Будет использоваться оптическая поляризация ядер в условиях антипересечения спиновых уровней с возможность регистрации ядерного магнитного резонанса по фотолюминесценции спиновых центров окраски. 18. Будет рассмотрена возможность создания спиновых структур в карбиде кремния, на поверхности которого сформирован слой двухмерного кристалла типа гексагонального нитрида бора (hBN) или графена, технологии получения которых развиты в ФТИ, что приведет к повышению эффективности функционирования спин-фотонных интерфейсов. Предполагается использование оптической прозрачности и электронной проводимости металлического графена или hBN для создания системы с оптическим, электрическим и микроволновым управлением свойствами спиновых центров. При этом будет осуществляться рамановский контроль исследуемой системы. 19. Будет рассмотрена возможность расширения диапазона и усиления оптической эмиссии спиновых центров в карбиде кремния в области прозрачности волоконной оптики и живых систем на основе метаматериалов, совместимых с SiC. Будут выполнены поисковые исследования спиновых центров окраски в карбиде кремния по созданию набора квантовых сенсоров магнитных и температурных полей с субмикронным разрешением, источников одиночных фотонов в инфракрасной области; мазеров с оптической накачкой; устройств обработки и хранения информации, работающих при комнатных температурах и выше комнатной. Будет разработана конструкция, в которой нанокристалл карбида кремния со спиновыми центрами будет помещен на зонд АСМ. 20. Методы ЭПР, ЭСЭ, ДЭЯР и ОДМР наряду с оптическими и рамановскими будут использованы для изучения и диагностики собственных и примесных (переходные редкоземельные металлы) дефектов в полупроводниках, родственных карбиду кремния по ширине запрещенной зоны (III-нитриды, ZnO), в которых возможно создание оптически активных спиновых структур. 21. Будет рассмотрена возможность экспериментов по обнаружению акустического парамагнитного резонанса спиновых центров в карбиде кремния с использованием или пьезоэлектрических свойств карбида кремния, или пленки нитрида алюминия, сформированной на поверхности карбида кремния. При этом технология получения кристалла нитрида алюминия на подложке из карбиде кремния развита участниками проекта в ФТИ. ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ Аннотация результатов, полученных в 2020 году Оптически активные спиновые центры окраски в карбиде кремния (SiC) в настоящее время рассматриваются в качестве материальной платформы для спинтроники, сенсорики, квантовой обработки информации, разработки гибридных квантовых систем. В SiC имеются два семейства спиновых центров со спином S=1 и S=3/2 с уникальными магнитно-оптическими свойствами. В основе возможности спиновых манипуляций лежит природный механизм выстраивания населенностей уровней спиновых центров окраски в SiC под действием оптического возбуждения. Изменение этих населенностей в результате воздействия резонансного микроволнового излучения позволяет осуществить оптическое детектирование магнитного резонанса (ОДМР) по изменению интенсивности фотолюминесценции (ФЛ) с гигантским увеличением чувствительности. На интенсивность ФЛ воздействуют также эффекты, связанные со строением системы энергетических уровней в магнитном поле, такие как антипересечение уровней в основном и возбужденном состояниях и кросс-релаксация. Отличительной особенностью инфракрасной (ИК) ФЛ центров окраски в SiC является совпадение этого диапазона с полосой прозрачности волоконной оптики и живой материи. Создан новый класс систем с набором магнитных, электрических и микроволновых характеристик на базе спиновых центров окраски с S=3/2 в основных политипах SiC: гексагональных (4H-, 6H-SiC) и ромбических (15R-, 21-SiC), содержащих дефекты с уникальными магнитно-оптическими свойствами. Проведены исследования этих центров методами высокочастотного электронного парамагнитного резонанса (ЭПР), электронного спинового эха (ЭСЭ), двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР), ОДМР. Установлена структура энергетических уровней, определены знаки расщепления тонкой структуры, позволяющие определить взаимное расположения уровней 1/2 и 3/2, что дало возможность выяснить схему оптически индуцированного выстраивания населенностей уровней в нулевом и высоких магнитных полях и их зависимостей от политипного состава, позиции спинового центра в кристалле и температуры. Развиты методы диагностики локального политипного состава SiC с использованием ОДМР спиновых центров атомарных размеров при комнатных температурах. В политипе 21R-SiC, рассматриваемом в качестве естественной сверхрешетки, в рамках данного проекта обнаружено семейство центров окраски атомарного масштаба, спиновым состоянием которых можно управлять по оптическому и микроволновому каналам в широком диапазоне температур, включая комнатную и выше. В политипе 21R-SiC имеется максимальное количество квазикубических и гексагональных позиций в единичной ячейке кристалла по сравнению со всеми политипами SiC, в которых ранее были обнаружены спиновые центры окраски со спинами S=1 и S=3/2. Таким образом, имеется большой массив спиновых центров окраски с отличающимися расщеплениями тонкой структуры для основных и возбужденных состояний. Продемонстрированы гигантские изменения интенсивности ФЛ в условиях магнитного резонанса и антипересечения спиновых уровней основного и возбужденного состояний, открывающие возможности для применений в магнитометрии, термометрии и квантовых вычислениях. В кристалле 21R-SiC зарегистрированы сигналы ОДМР и антипересечения уровней для четырех типов спиновых центров (V1, V2, V3, V4) в основном и возбужденном состояниях. Определены расщепления тонкой структуры и g-факторы, при этом для возбужденных состояний получены температурные зависимости этих расщеплений. Сигналы антипересечения уровней зарегистрированы по изменению ФЛ центров окраски со спином 3/2 в кристалле 21R-SiC. Расщепление тонкой структуры для каждого спинового центра в возбужденном состоянии существенно больше, чем в основном состоянии, кроме того, расщепление тонкой структуры в возбужденном состоянии зависит от температуры, тогда как соответствующее расщепление в основном состоянии практически не зависит от температуры. Таким образом, каждый спиновый центр может одновременно использоваться как сенсор магнитного поля, так и сенсор температуры, при этом частоты резонансов существенно разнесены по величине. Положение первого антипересечения слабо зависит от ориентации кристалла в магнитном поле, поэтому может быть использовано при создании сенсоров для измерения магнитных полей и температур из порошковых материалов карбида кремния. Информация об электронной структуре короткоживущих возбужденных состояний важна для реализации высокоскоростных квантовых вентилей, а также сверхбыстрых, полностью оптических схем квантового управления. В связи с малым временем жизни в возбужденном состоянии порядка 5-10 нс ОДМР требует приложения мощного микроволнового поля, которое вращает спин в течение короткого периода. Эффекты антипересечения уровней не требуют вообще микроволновой мощности, при этом возбужденные состояния легко регистрируются. Был выращен кристалл политипа 6H-SiC с инверсным относительно природного содержания изотопным составом: менее 1% Si29 и 4.7 % C13 и проведены исследования сверхтонких взаимодействий для спиновых центров в этом кристалле. Наблюдались сигналы ОДМР двух семейств спиновых центров: центры со спином S=1, представляющие собой дивакансии, ориентированные по молекулярным связям и центры со спином S=3/2. Повышенное содержание изотопа C13, обладающего ядерным магнитным моментом, привело к уширению линий ОДМР и появлению сателлитов, обусловленных взаимодействием с ближайшими четырьмя атомами углерода. Для реализации эффекта «выжигания провалов» выбирается типичная линия ОДМР любого спинового центра с S=3/2 (V1, V2, V3, V4) в политипах 4H-, 6H-, 15R, 21R-SiC, которая является неоднородно-уширенной, и в пределах этой линии выбирается частота накачки, при этом зондирующая частота второго генератора сканируется в пределах линии ОДМР. Ширина выжигаемых провалов примерно на порядок меньше, чем ширина линии ОДМР, таким образом, чувствительность измерения магнитного поля существенно повышается по сравнению с использованием обычного сигнала ОДМР. Дополнительным фактором повышения чувствительности является увеличение крутизны зависимости расщепления между линиями от внешнего магнитного поля, В настоящем проекте продолжены исследования по выбору оптимальных условий для измерений магнитного поля с субмикронным пространственным разрешением, достигнута чувствительность порядка сотен нТл при времени измерения 1 сек. Продолжены исследования явления кросс-релаксации между спиновыми подуровнями оптически-активных центров окраски, в которых происходит оптически индуцированное выстраивание населенностей спиновых подуровней в нулевых и произвольных магнитных полях и различными оптически не активными парамагнитными дефектами, расщепление тонкой структуры которых зависит от температуры, взаимодействие с которыми проявляется в изменении ФЛ активных центров окраски. Важно подчеркнуть, что в методе кросс-релаксации, как и в методе антипересечения уровней, нет необходимости использования микроволновой частоты, то есть мы имеем полностью оптический метод измерения магнитных полей и температур с микронным пространственным разрешением. В кристалле 21R-SiC обнаружены сигналы антипересечения уровней, положение которых в магнитном поле сильно зависит от температуры, при этом линии являются достаточно узкими, что позволяет существенно повысить чувствительность измерения температуры. Создана линейка высокочастотных спектрометров магнитного резонанса, работающих на фиксированных частотах 94 ГГц (3 мм диапазон длин волн) и 130 ГГц (2 мм диапазон), в непрерывном и импульсном режимах, выполненных на общей технологической платформе с единым аппаратным и программным обеспечением. Регистрация сигналов магнитного резонанса осуществляется по микроволновому и оптическому каналам, используется магнито-оптический криостат замкнутого цикла. Криостат замкнутого цикла помещен на оптический стол, на котором предусмотрены возможности для оптического детектирования магнитного резонанса с использованием различных оптических схем, включая и поляризационные измерения в геометрии магнитного поля Фарадея и Фойгта. Протестированы принципиально новые методы регистрации магнитных резонансов в высокочастотном диапазоне с модуляцией частоты.