Paramagnetic material for quantum information processing: electronic and nuclear spins manipulations in β −Ga2O3 : Ti
Matériau paramagnétique pour l'information quantique : manipulations des spins électroniques et nucléaires dans β − Ga2O3 : Ti
Résumé
Quantum information processing is a major challenge both on fundamental and technological grounds. In this research field, the spin bus concept relies on the use of both the electronic and nuclear spins in which the electron is used as a reading and writing head over the nuclei system which makes the qubit register. The requested material to build a spin bus must have unpaired electrons delocalized over a great number of nuclear spins having long decoherence time. In this work, we studied a spin system composed of titanium (III) interacting with multiple gallium nuclei in gallium oxide. We synthesized and studied the titanium paramagnetic center in gallium oxide single-crystals by continuous wave EPR and ENDOR spectroscopy and showed that the electron is delocalized over eight neighbouring gallium nuclei. This study also revealed a strong isotopic effect on the nucleus-nucleus interaction mediated by the electron. When the two nearest gallium nuclei surrounding the titanium are identical (same isotopes) this interaction is one order of magnitude higher than in the case of inequivalent nuclei. This effect can be used in order to reduce the computation time. Finally, the dynamical properties of the spin system have been characterized by pulsed EPR and ENDOR spectroscopy. The electron spin decoherence is driven by instantaneous and spectral diffusion. The nuclear dynamical properties have also been studied in order to determine the order of magnitude of nuclear spin relaxation and decoherence time.
Le traitement quantique de l'information est un domaine très actif dont les enjeux sont importants tant d'un point de vue du savoir scientifique fondamental que des applications technologiques. Dans ce contexte le concept de bus de spin consiste à employer en tandem des spins électroniques et nucléaires. Les électrons célibataires servent de tête de lecture et d'écriture sur le registre de bits quantiques constitué par les spins nucléaires. Les électrons sont délocalisés sur un ensemble de spins nucléaires dont les temps de décohérences doivent être longs. Dans ce travail nous avons étudié un ion titane (III) dans l'oxyde de gallium dont nous avons synthétisé et étudié des monocristaux. Une étude approfondie par RPE et ENDOR en onde continue a montré que l'électron porté par le titane était en interaction avec huit noyaux de gallium qui constituent le registre de qubits potentiel. L'étude a également révélé un effet isotopique sur les interactions noyau-noyau véhiculées par l'électron. Lorsque les deux noyaux de gallium entourant le titane sont identiques (mêmes isotopes), cette interaction est d'un ordre de grandeur plus grande que dans le cas d'isotopes différents, un effet qui peut être employé afin de réduire la durée des opérations logiques. Enfin, la dynamique de cet ensemble de spin a été caractérisée par RPE et ENDOR en impulsions. Il s'avère que la décohérence électronique est dominée par des phénomènes de diffusion instantanée et de diffusion spectrale. La dynamique des spins nucléaires les expériences menées permettent de déterminer l'ordre de grandeur des temps de relaxation longitudinaux et de décohérence des spins nucléaires.