可扩展量子存储平台的开发——硅基掺铒 TiO$_2$ 薄膜的材料科学
材料科学
2022-03-01 v2 应用物理
摘要
稀土离子作为固态量子比特，特别是作为量子存储器，已成为一个有吸引力的候选方案。其 4f-4f 跃迁受到填满的 5s 和 5p 轨道的屏蔽，从而在一定程度上免受外部电场的影响。嵌入氧化物薄膜基质中的稀土离子可以实现具有显著存储能力的量子比特平台。此外，与硅兼容的薄膜形态将允许使用标准的半导体制造工艺，以实现功能性量子网络的芯片级集成和可扩展性。为实现这一目标，我们对生长在 Si (100)、r-面蓝宝石和 SrTiO (100) 上的掺铒多晶和外延 TiO 薄膜进行了光学和微观结构研究。我们观察到，与蓝宝石或 SrTiO 上的单晶外延薄膜相比，多晶 Er:TiO（生长在 Si 上）的铒光致发光的非均匀光学线宽相当或更优，这意味着其对扩展缺陷相对不敏感。我们研究了薄膜/衬底和薄膜/空气界面的影响，发现通过添加未掺杂 TiO 的底部缓冲层和顶部覆盖层，可以显著改善非均匀线宽和光谱扩散。利用这些方法，我们在 Er:TiO/Si(100) 薄膜中获得了 5.2 GHz 的非均匀线宽和 180 MHz 的光谱扩散，并证明了这些薄膜中量子相关性质的可工程化性。
引用
@article{arxiv.2202.05376,
title = {Development of a Scalable Quantum Memory Platform -- Materials Science of Erbium-Doped TiO$_2$ Thin Films on Silicon},
author = {Manish Kumar Singh and Gary Wolfowicz and Jianguo Wen and Sean E. Sullivan and Abhinav Prakash and Alan M. Dibos and David D. Awschalom and F. Joseph Heremans and Supratik Guha},
journal= {arXiv preprint arXiv:2202.05376},
year = {2022}
}
备注
13 pages, 6 figures; corrects the units for spectral diffusion values (MHz throughout the manuscript instead of GHz(typo) in some places)