中國粉體網(wǎng)訊 中國科學(xué)院院士、中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊在碳化硅色心自旋操控研究中取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊李傳鋒、許金時、王俊峰等人與其合作者在國際上首次實現(xiàn)了碳化硅中氮-空位（NV）色心的室溫相干操縱，并且實現(xiàn)了單個NV色心的可控制備和光探測磁共振譜的探測。這種色心的發(fā)光波長在通訊波段，在量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)中具有重要用途。該成果于6月1日發(fā)表于國際物理學(xué)期刊《物理評論快報》，并被美國物理學(xué)家組織網(wǎng)Phys.org專題報道。
具有通訊波段熒光和可調(diào)控自旋的固態(tài)色心體系是遠(yuǎn)距離量子中繼和分布式量子計算的重要平臺。碳化硅色心自旋操控是近幾年新興的研究方向。碳化硅是一種應(yīng)用廣泛的寬禁帶半導(dǎo)體材料，有成熟的生長和微納加工藝以及摻雜技術(shù)，并且晶型多樣，可供研究的色心類型非常豐富。而且在相同條件下碳化硅色心自旋的相干時間要比金剛石NV色心的長。基于碳化硅色心自旋的量子器件十分適合光電集成以及產(chǎn)業(yè)化。
目前碳化硅中主要研究的自旋色心有硅空位色心（缺失一個硅原子）和雙空位色心（缺失硅原子和近鄰的碳原子），然而它們的熒光光譜只是處于近紅外波段。最近的研究發(fā)現(xiàn)碳化硅中存在帶負(fù)電的NV色心（一個碳原子被氮原子取代同時缺失了近鄰的硅原子）并且其熒光光譜處于通訊波段。但是之前的工作局限在對其低溫光譜和電子順磁共振的研究，自旋相干性質(zhì)和單個NV色心的可控制備尚缺乏相關(guān)報道。
研究組通過優(yōu)化注入條件和退火溫度實現(xiàn)了碳化硅中NV色心濃度的6倍增強(qiáng)，從而有效地排除了其他色心的干擾。在此基礎(chǔ)上，研究組實現(xiàn)了碳化硅NV色心系綜的室溫光探測磁共振譜的檢測，并且實現(xiàn)了室溫自旋相干操縱，其相干時間T2達(dá)到17.1 μs。而且發(fā)現(xiàn)其退相位時間T2*隨著注入劑量的增加而降低。研究組還進(jìn)一步實現(xiàn)了單個NV色心陣列的制備和光探測磁共振譜的檢測。本實驗為利用加工技術(shù)成熟的碳化硅材料中的NV色心實現(xiàn)可擴(kuò)展量子信息處理奠定了重要基礎(chǔ)。
該工作得到審稿人的高度評價：“這是第一篇關(guān)于室溫的碳化硅中NV色心報道，尤其是觀測和證明了單個NV色心”，“我認(rèn)為這些結(jié)果意義重大，將會引起很多研究色心體系的量子信息物理學(xué)家的興趣�！痹摴ぷ鞅幻绹锢韺W(xué)家組織網(wǎng)Phys.org 以Manufacturing-friendly SiC boasts quantum credentials at telecom wavelengths 為題專題報道。
中科院量子信息重點(diǎn)實驗室教授李傳鋒、許金時為論文共同通訊作者，副研究員王俊峰為論文第一作者。該工作得到科技部、國家基金委、中科院、安徽省以及中國科大的資助。
圖(a) 碳化硅NV色心系綜的室溫光探測磁共振譜, (b) 碳化硅NV色心系綜的室溫自旋回波, (c) 碳化硅材料中單NV色心陣列的熒光成像圖, (d) 單個NV色心的光探測磁共振譜（插圖是單個NV色心發(fā)光的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，展示了單光子發(fā)光特性）。
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/江岸）
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