Coherent Erbium Spin Defects in Colloidal Nanocrystal Hosts

纳米晶 材料科学 纳米技术 胶体 自旋(空气动力学) 凝聚态物理 光电子学 物理 兴奋剂 化学 热力学 物理化学
作者
Joeson Wong,Mykyta Onizhuk,Jonah Nagura,Arashdeep Singh Thind,Jasleen K. Bindra,Christina Wicker,Gregory D. Grant,Yuxuan Zhang,Jens Niklas,Oleg G. Poluektov,Robert F. Klie,Jiefei Zhang,Giulia Galli,F. Joseph Heremans,D. D. Awschalom,A. Paul Alivisatos
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:18 (29): 19110-19123
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c04083
摘要

We demonstrate nearly a microsecond of spin coherence in Er3+ ions doped in cerium dioxide nanocrystal hosts, despite a large gyromagnetic ratio and nanometric proximity of the spin defect to the nanocrystal surface. The long spin coherence is enabled by reducing the dopant density below the instantaneous diffusion limit in a nuclear spin-free host material, reaching the limit of a single erbium spin defect per nanocrystal. We observe a large Orbach energy in a highly symmetric cubic site, further protecting the coherence in a qubit that would otherwise rapidly decohere. Spatially correlated electron spectroscopy measurements reveal the presence of Ce3+ at the nanocrystal surface, which likely acts as extraneous paramagnetic spin noise. Even with these factors, defect-embedded nanocrystal hosts show tremendous promise for quantum sensing and quantum communication applications, with multiple avenues, including core-shell fabrication, redox tuning of oxygen vacancies, and organic surfactant modification, available to further enhance their spin coherence and functionality in the future.
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