石英中点缺陷量子比特的电子顺磁共振研究

摘要

相比于经典计算机，量子计算机能够完成一些其不能有效解决的问题，因此引起了广泛的兴趣与研究。虽然关于量子计算机的理论已经逐步成熟，但是其物理实现还仅仅限于几个量子比特的初级阶段。固态自旋量子计算由于其良好的可集成性、完善的加工工艺，被普遍认为是很有希望的量子计算构架之一。而对于固态自旋量子计算，寻找合适的自旋量子比特是非常重要的任务。石英晶体具有成熟的工业合成工艺、小的自旋-轨道耦合作用、干净的非磁性核环境。这些优良的性质使得石英晶体中的点缺陷有可能成为有潜力的量子比特。特别是E'2点缺陷，它具有电子-核耦合的结构、合适的超精细相互作用、非常窄的线宽以及良好的生成方式。但衡量量子比特的另一个性质退相干时间还没有得到充分研究，并且关于它的核结构我们了解得也不够详细。因此为了准确衡量E'2点缺陷作为量子比特的潜力，我们需要对其进行深入的研究。
　　 本文主要通过连续波和脉冲电子顺磁共振的实验手段，确定了E'2点缺陷的自旋哈密顿量，研究了E'2点缺陷的自旋-晶格弛豫时间T1和自旋-自旋弛豫时间T2随温度的依赖关系，分析了相应的内在弛豫机制，并通过电子-核双共振的技术确定了E'2点缺陷的核自旋结构。我们还分析了其在固态自旋量子计算中的应用，并在实验上实现了电子与核的旋转操作。
　　 本文的主要创新点包括：首次提出了E'2点缺陷作为有潜力的量子比特的可能性，首次使用脉冲电子顺磁共振的手段研究了E'2点缺陷的退相干性质，首次直接证明了E'2点缺陷中氢核的存在。我们的实验结果表明了E'2点缺陷具有电子-质子耦合的结构，以及超过260μs的退相干时间，并且能够通过样品的处理或脉冲的技术进一步得到延长，退相干不是妨碍其成为优秀量子比特的因素，因此为以后的进一步探索奠定了基础。同时，我们的理论分析给出了基于E'2点缺陷的量子计算机构架，为之后的研究指明了方向。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

第二章 电子顺磁共振原理

2．1 连续波电子顺磁共振

2．2 脉冲电子顺磁共振

2．3 电子核双共振

2．4 电子自旋弛豫

2．4．1 弛豫研究的必要性

2．4．2 自旋—晶格弛豫，T1

2．4．3 自旋—自旋弛豫，T2

第三章 E'2点缺陷的电子顺磁共振研究

3．1 文献背景

3．2 样品制备

3．3 CW表征

3．4 脉冲表征

3．5 T1弛豫

3．6 T2弛豫

3．7 ENDOR谱

3．8 量子比特

第四章 结语与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的研究成果