In the present work, the energetic structure and coherence properties of the silicon vacancy point defect in the technologically important material silicon carbide are extensively studied by the optically detected magnetic resonance (ODMR) technique in order to verify its high potential for various quantum applications. In the spin vacancy, unique attributes are arising from the C3v symmetry and the spin-3/2 state, which are not fully described by the standard Hamiltonian of the uniaxial model. Therefore, an advanced Hamiltonian, describing well the appearing phenomena is established and the relevant parameters are experimentally determined. Utilizing these new accomplishments, several quantum metrology techniques are proposed.
First, a vector magnetometry scheme, utilizing the appearance of four ODMR lines, allows for simultaneous detection of the magnetic field strength and the tilting angle of the magnetic field from the symmetry axis of the crystal.
The second magnetometry protocol utilizes the appearance of energetic level anticrossings (LAC) in the ground state (GS) energy levels. Relying only on the change in photoluminescence in the vicinity of this GSLACs, this all-optical method does not require any radio waves and hence provides a much easier operation with less error sources as for the common magnetometry schemes utilizing quantum points.
A similar all-optical method is applied for temperature sensing, utilizing the thermal shift of the zero field splitting and consequently the anticrossing in the excited state (ES). Since the GSLACs show no dependence on temperature, the all-optical magnetometry and thermometry (utilizing the ESLACs) can be conducted subsequently on the same defect.
In order to quantify the achievable sensitivity of quantum metrology, as well as to prove the potential of the Si-vacancy in SiC for quantum processing, the coherence properties are investigated by the pulsed ODMR technique. The spin-lattice relaxation time T1 and the spin-spin relaxation time T2 are thoroughly analyzed for their dependence on the external magnetic field and temperature.
For actual sensing implementations, it is crucial to obtain the best signal-to-noise ratio without loss in coherence time. Therefore, the irradiation process, by which the defects are created in the crystal, plays a decisive role in the device performance. In the present work, samples irradiated with electrons or neutrons with different fluences and energies, producing different defect densities, are analyzed in regard to their T1 and T2 times at room temperature.
Last but not least, a scheme to substantially prolong the T2 coherence time by locking the spin polarization with the dynamic decoupling Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) pulse sequence is applied. / In der vorliegenden Arbeit werden die energetische Struktur und die Kohärenzeigenschaften der Silizium Fehlstelle in dem technologisch relevanten Material Siliciumcarbid mit Hilfe der optisch detektierten Magnetresonanz (ODMR) Technik extensiv analysiert, um ihr außerordentliches Potential für verschiedene quanten-mechanische Anwendungen zu untermauern. Aus der C3v Symmetrie und dem 3/2 Spinsystem des Defekts entstehen einzigartige Attribute, die nur teilweise durch den Standard Hamiltonoperator des Modells einer einachsigen Symmetrie wahrheitsgemäß beschrieben werden. Aus diesem Grund wird ein weiterentwickelter Hamiltonoperator aufgestellt, welcher die auftretenden Eigenschaften genau wiedergibt. Aus experimentellen Messungen werden anschließend seine Parameter bestimmt. Das nun vorliegende genaue Verständnis der auftretenden Phänomene wird dazu genutzt, diverse Methoden zur Quantensensorik auszuarbeiten.
Zuerst wird ein Schema für Vektormagnetometrie aufgestellt, welches sich das Auftreten von vier ODMR Linien zunutze macht. Die Methode ermöglicht simultane Detektion, sowohl von der Magnetfeldstärke, als auch von dem Winkel zwischen der Magnetfeldrichtung und der Symmetrieachse des Kristalls.
Das zweite Magnetometrie protokoll nutzt das Auftreten von energetischen anticrossings (level anticrossing, LAC) im Grundzustand (ground state, GS). Durch das Verfolgen der Änderung der Photolumineszenz in der Nähe dieser GSLACs, braucht diese rein optische Technik keine Radiowellen und ist dementsprechend viel leichter umzusetzen und bietet weniger Fehlerquellen als die üblichen Magnetometriemethoden an Quantenpunkten.
Eine ähnliche, rein optische Methode wird auch für Temperaturmessungen vorgestellt, welche auf der thermisch induzierten Verschiebung der Nullfeldaufspaltung und somit auch der anticrossings im angeregten Zustand (excited state, ES) basiert. Da die GSLACS keine Temperaturabhängigkeit zeigen, können die rein optischen Methoden zur Magnetfeld- und Temperaturmessung nacheinander am selben Defekt erfolgen.
Um die erreichbare Sensitivität der Quantenmetrologie zu quantifizieren und auch um das Potential der Si-Vakanzen für Quantencomputing zu demonstrieren, werden die Kohärenzeigenschaften mit Hilfe der gepulsten ODMR Technik analysiert. So werden die Spin-Gitter Relaxationszeit T1 und die Spin-Spin Relaxationszeit T2 eingehend analysiert und deren Abhängigkeit von einem externen Magnetfeld und der Temperatur aufgestellt.
Für tatsächliche Implementierung in einem Sensor, ist es entscheidend ein Optimum zwischen dem Signal-Rausch-Verhältnis und der Kohärenzlänge zu etablieren. Deswegen spielt die Kristallbestrahlung, durch die die Defekte erzeugt werden, eine wichtige Rolle für die Leistungsfähigkeit des Endgerätes. In der vorliegenden Arbeit werden unterschiedlich bestrahlte Proben, nämlich einmal mit Elektronen und einmal mit Neutronen unterschiedlicher Energie und mit unterschiedlichen Bestrahlungsdosen, analysiert.
Anschließend wird eine Methode zur substantiellen Verlängerung der T2 Kohärenzzeit durch das locking der Spinpolarisation mit der Carr-Purcell-Meiboom-Gill (CPMG) Pulssequenz durchgeführt.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:15619 |
| Date | January 2017 |
| Creators | Simin, Dmitrij |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://creativecommons.org/licenses/by-nd/4.0/deed.de, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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