Punktdefekte in SiC: Koppeln von Licht, Spin und Materie

Ziel des Sonderforschungsbereich-Transregio Quantenkooperativität von Licht und Materie (TRR306) ist es Kooperativität in Quantensystemen zu charakterisieren, zu kontrollieren und zu gestallten. Im TRR306 vereinen die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, die Johannes-Gutenberg-Universität Mainz und die Universität des Saarlandes gemeinsam mit Arbeitsgruppen vom DESY, Hamburg, der TU Kaiserslautern und der Johannes Kepler Universität Linz ihre Kräfte um diese große Herausforderung zu bewältigen. Die Arbeitsgruppe der Johannes Kepler Universität Linz erforscht die Quantenkooperativität in der Kopplung von Elektronspins, die auf Defekten in Halbleitern, sogenannten Farbzentren, lokalisiert sind, an Licht und mechanische Moden des Materials. Einige Farbzentren in Halbleitern wie Siliziumcarbid (SiC) stellen Festkörper-Quantenbits oder Ein- photonenquellen dar. Solche Festkörper-Quantenbits ermöglichen präzise Quanten-basierte Messverfahren von Magnetfeldern, elektrischen Feldern und der Temperatur und könnten als Quantenregister in Quantencomputern eingesetzt werden. Einphotonenquellen sind für Anwendungen in der Quantenkryptographie wichtig. Eine kohärente Kopplung zwischen Farbzentren in einem einzelnen Bauelement herzustellen und kooperative Effekte, wie eine Spin-Spin-Kopplung oder Superradianz, zu erzielen, ist nach wie vor eine große Herausforderung. Nicht nur die technologische Komplexität an sich stellt eine Hürde dar, sondern es müssen auch die Kopplung und mit ihr konkurierende physikalische Mechanismen verstanden und beherrscht werden. In unserem Projekt untersuchen wir vielversprechende Farbzentren in SiC als Bestandteil einer neuen, vielseitigen und monolithischen Quantentechnologieplattform. Unser Ziel ist es eine kohärente Kopplung von zwei, letztendlich mehreren, Farbzentren mittels optischer und/oder mechanischer Resonatoren herzustellen und nutzbarzumachen. Um dieses hochgesteckte Ziel zu erreichen, vereinen wir die sich ergänzenden Kompetenzen unserer Arbeitsgruppe mit denen unserer Projektpartner in der Nano- und SiC-Hableitertechnologie, sowie in der experimentellen und theoretischen Defektphysik. Die Rolle der Theoriearbeitsgruppe an der Johannes Kepler Universität ist die Untersuchung atomistischer Modelle für vielversprechende, kürzlich entdeckte Farbzentren in Zusammenarbeit mit dem Experiment. Basierend auf ab initio Methoden wird unsere Modellierung der Kopplung einzelner Farbzentren mittels Resonatormoden dafür wichtige physikalischen Mechanism aufklären. Mit diesem Wissen und darüber hinausgehender Modellbildung soll die Entwicklung der monolithischen Quantentechnologieplattform vorangetrieben werden.

Der SFB-TRR "Quantum Cooperativity of Light and Matter" (TRR306) fokusierte auf die Charakterisierung, Kontrolle und dem Design von Kooperativität auf der Ebene der Quantenphysik. Zu diesem allgemeinen und modernen Forschungsthema passend, erforschte das Teilprojekt "Punktdefekte in SiC: Kopplung von Licht, Spin und Materie" die Wechselwirkung von Farbzentren im elektronisch ausgereiften Halbleitermaterial Silizium Carbid mit Photonen und mechanischen Resonatormoden. Prototypische Farbzentren in diesem Material sind vielversprechende Kandidaten für die Realisierung von Quantumbits für Quantentechnologien. Unsere Forschungsgruppen an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, der Rheinland-Pfälzischen Technischen Universität Kaiserslautern-Landau und der Johannes Kepler Universität Linz bündelten unsere Expertise in Nano- und SiC-Technologie, sowie der experimentellen und theoretischen Defektphysik mit dem Ziel eine monolitische SiC-Plattform für die Kopplung von Farbzentren mit Resonatoren zu entwickeln und damit langfristig eine Kopplung von zwei Spin-Quantumbits zu erreichen. Im Folgenden stehen die Ergebnisse der Theoriegruppe an der Johannes Kepler Universität Linz im Fokus. Mit der Kopplung von Spin-Quantumbits mittels Resonatoren als langfristiges Ziel stellen sich methodische Herausforderungen auch für die Theoriegruppe. Optische Resonatormoden treiben den Optischen Zyklus der Farbzentren einschließlich der nicht strahlenden, Spin-Umklapp-Übergänge und der konkurierenden Photoionisierung dieser Farbzentren vom aktiven in einen inaktiven Zustand, während mechanische Moden Spin-Übergänge mittels ihres Verzerrungsfeld auslösen. Mit der Implementierung der Spin-Bahn- und der Spin-Spin-Wechselwirkung in unser Quantum-Embedding-Verfahren für Farbzentren, das die Behandlung von hoch korrelierten Defektzuständen ermöglicht, ist es uns gelungen eine zentrale Herausforderung mit Blick auf das langfristige Ziel zu lösen. Auf Basis einer Weiterentwicklung einer modernen Einbettungsmethode zur Berechnung von Linenformen von vibronischen Übergängen können wir die Spin-Umklapp-Übergangsraten im optischen Zyklus vorhersagen. Für den komplexen Fall der Siliziumleerstelle mit mehreren Zwischenzuständen bestätigen unsere Berechnungen das experimentelle Model und geben wichtige Erkenntnisse, die ein zukünftiges Engineering des optischen Zyklus, z.B. hinsichtlich eines optimalen Spinkontrasts, ermöglichen. Das Engineering betrifft auch optische Ionisierungsprozess und chargestate control. Basierend auf unseren berechneten optischen Ionisierungsquerschnitten konnten wir den hauptsächlichen Ionisierungsmechanismus von zwei prototypischen Quantumbits in SiC identifizieren. In einer Zusammenarbeit mit der Universität Stuttgart (Wrachtrup-Gruppe) wird dieses Ergebnis für das V2-Zentrum (Siliziumleerstelle) in SiC in einem SiC-Schottky-Device mit Integration in optische Mikorstrukturen nachgewiesen. Über diese unmittelbaren wichtigen Forschungsbeiträge hinaus bildet dieses Projekt die Grundlage für die Verfolgung unseres langfristigen Ziels in zukünftigen Forschungsprojekten.