5.5 KiB
abstract
顺磁缺陷（带自旋的电子能级）和核自旋是点缺陷量子比特磁场相关自旋弛豫的主要来源。
相关光信号的探测已经导致了高空间分辨率的弛豫测量的发展。
在这之中，SiC 的近简并四重基态的 Si 空位量子比特引起了特别的兴趣。
因为它有在几乎零磁场下相当小的自旋弛豫速率，并且在生物组织的第一近红外窗口中发射。
然而，这个弛豫的过程却还没有被完全探索。
本文中，我们展现了与磁场和 spin-bath-dependent 弛豫时间 T_1 的详尽的理论研究，
表名 SiC 中的 Si 空位量子比特有潜力作为无微波的低磁场磁力计。
TODO: spin-bath 是什么东西？
翻译： 关于点缺陷量子比特、磁场、自旋相关的东西主要有两个方面，一个是原子核的自旋，一个是电子的自旋。 SiC 的 Si 空位有近简并的四重基态，它有一些独特的性质， 包括在不需要外加磁场的情况下较长的自旋弛豫时间，以及发射的微波在生物组织的第一近红外窗口中。 但这个弛豫的过程还没有被完全探索。 这篇文章讨论了相关机理，并且定量讨论了影响自旋弛豫时间的因素（包括磁场和自旋浴）。 通过这些研究，我们发现 SiC 中的 Si 空位可以作为低磁场磁力计。
INTRODUCTION
由于鲁棒性、敏感性和多功能性，点缺陷量子比特在量子传感方面有广泛的潜在应用。 许多方面的多学科交叉应用，对这些器件提出了新的要求。 一直在寻找可以满足这些要求的理想的点缺陷。
金刚石中的 NV 是一个很好的选择，最近有用它来做高温、无微波的传感。 然而它需要足够大的磁场来产生足够大的 ZFS。 磁场可能会影响样品并影响测量，所以最好不要需要外加磁场。
其它点缺陷没有被探索用于基于自旋的传感。 其中，SiC 中的 Si 空位因为有小的 ZFS 和四重态的近简并，在低磁场下有应用前景。 对于这些应用，需要详细地理解弛豫的过程。
Si 空位因为自旋四重态受到了很多研究。 近年来，Si 空位在不同温度下的弛豫动力学被研究了。 基于自旋弛豫的传感也被提出用于温度传感和磁场测量，基于自旋能级反交错的行为。 然而，环境中的自旋耦合影响导致的弛豫过程收到了较少的关注， 但这对各种基于自旋弛豫的应用都是很重要的。 近期的理论发展使得可以进行关于纵向自旋弛豫的一些计算，包括 temperature-dependent spin-lattice relaxation 和 magnetic-field-dependenl dipolar spin relaxation induced by local environmental spins。
本文研究了 4H 中 V1 和 V2 磁场和附近环境（核自旋）对自旋的影响。 我们考虑的附近环境包括 C13 Si29 和自旋 1/2 和自旋 1 的点缺陷，以及不同的聚集度。 我们考虑了最可几能级反交错（LAC），在这些地方环境自旋可以有效地使自旋弛豫，并且定量计算了弛豫时间。 我们发现了几个窄共振，在这之中，只需要外加一个很小的磁场，自旋弛豫时间就可以改变几个数量级。 基于这些观察，我们提出可以把它用作生物传感，并且估计了它的敏感度。
RESULTS
图 1a 是能级。 当外加一个正的磁场并且逐渐增大时，-3/2 的能级会与 +1/2 和 -1/2 的交叉。 外界的自旋 1/2 的核磁矩会导致自旋 +-1 的能级弛豫（LAC A 和 C）， 除此以外还有两个核自旋，或者一个核自旋和非线性塞曼效应，导致的 +-2 的能级交叉（LAC B）。 所有这些交叉都会增强自旋弛豫。
为了定量外加磁场对核自旋引起的自旋弛豫的影响，我们计算了它随时间的演变，探究了从初始态到末态的转变粒子数。 图 1b 展示了不同磁场下一段时间后弛豫的结果。 超过 LAC C 之后，弛豫速率是指数下降的。 在磁场较大时，o 是 ss 的两倍。
在磁场较小时，核自旋对自旋弛豫的影响是很大的。 对于 V2 来说，三个 LAC 都可以在图上看出来。 注意到，LAC A 只在 -1/2 有观察到，LAC B 只在 +1/2 有观察到。 V1 的都集中在 B=0 附近，分不清。
为了定量研究核自旋对自旋弛豫的影响，我们计算了弛豫时间。 Si29 导致的自旋弛豫时间比 C13 要短很多，要保持更高的自旋弛豫时间，最好将 Si29 去除掉。
在 B 小于 60 G 时，自旋弛豫时间被剧烈地减小了。
接下来研究 1/2 电子自旋对自旋弛豫的影响。
整体的结构与之前的四重态不同，可以看作一个五重态和一个三重态，三重态与五重态中间的那三个接近简并。 在 B=0 附近，有四个 LAC，在比较远的地方还有一个 LAC，是由于四重态的非线性导致的。 TODO: 四重态的非线性是什么？ LAC 5 的位置受到扰动后会不准确。
对于 V2，可以在图中看到几个峰，自旋相干时间因此会急剧减小。 LAC 5 附近的波动是因为有限的模拟时间和两个态之间的相干震荡导致的。 V1 的 LAC 都非常接近于 B=0。
当初始态设置为只有 -1/2 时，弛豫的数量会极大地增加，
我们认为是 | +1/2 -1/2 \rangle 和 | -1/2 -1/2 \rangle 的简并导致的。
一些实验也观察到了快速的转换。
更多详细信息在附录里讨论。
接下来，我们定量研究了 1/2 自旋的缺陷的浓度对弛豫时间的影响。 可以看到，随着浓度变化，弛豫时间在秒级到微秒级之间变化。