中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)郭光燦院士團(tuán)隊在碳化硅色心的制備和低溫共振激發(fā)研究方面取得重要進(jìn)展。該團(tuán)隊李傳鋒、許金時等人利用聚焦氦離子束注入結(jié)合二次退火技術(shù)，成功制備出單個碳化硅雙空位色心陣列，并發(fā)現(xiàn)其中一類改性的雙空位色心(PL6)具有魯棒的共振激發(fā)譜和低的光電離速率。這一成果對于推動基于碳化硅色心的量子網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用具有重要意義。研究成果以“Robust single modified divacancy color centers in 4H-SiC under resonant excitation”為題，11月22日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

碳化硅的雙空位色心是由一對相鄰的碳-硅原子缺失所形成，具有長自旋相干時間和高自旋選擇性的光躍遷，是構(gòu)建自旋-光子界面的重要候選體系。由于空位缺陷的格點位置不同，普通的雙空位色心有四種變體，分別命名為PL1至PL4。研究表明，在共振激發(fā)條件下，這些普通雙空位色心的電荷態(tài)會變得不穩(wěn)定，進(jìn)而影響自旋-光子界面的構(gòu)建效率。值得注意的是，碳化硅中還存在一類光譜范圍和自旋態(tài)與普通雙空位色心相似，但具有獨特性質(zhì)的自旋色心，這類色心被稱為改性雙空位色心（modified divacancy color center）。其中，一種改性雙空位色心被命名為PL6。盡管其精確結(jié)構(gòu)尚未完全明了，但理論研究預(yù)測，PL6色心具有更好的電荷態(tài)穩(wěn)定性。

李傳鋒、許金時研究組利用聚焦氦離子束注入并結(jié)合二次退火技術(shù)，在碳化硅中實現(xiàn)了高精度的單個雙空位色心陣列的制備。通過測量角分辨共振激發(fā)譜，研究人員觀察到PL6色心中兩個偏振主軸相互垂直的共振譜峰，在長達(dá)3小時的共振激發(fā)過程中，這兩條譜峰的平均光譜頻移保持在50 MHz左右。這種優(yōu)異的偏振特性和光譜穩(wěn)定性，使得PL6色心成為基于碳化硅色心構(gòu)建自旋-光子糾纏界面的理想平臺。

進(jìn)一步的研究表明，在全功率范圍內(nèi)，PL6色心表現(xiàn)出較低的光電離速率。通過共振激發(fā)的“雙光子過程”會導(dǎo)致色心的光電離現(xiàn)象。研究發(fā)現(xiàn)，在低功率下，電離率與共振光功率呈現(xiàn)準(zhǔn)二次方關(guān)系，而在高功率條件下則呈現(xiàn)準(zhǔn)線性關(guān)系。特別地，在相同的共振光功率下，PL6色心的電離率比PL4色心低2.6倍，表明PL6色心在光電離過程中具備更強(qiáng)的魯棒性。此外，通過對多個樣品的統(tǒng)計分析，研究團(tuán)隊還發(fā)現(xiàn)，利用聚焦氦離子束制備的PL6色心在低溫下的共振激發(fā)線寬和自旋相干時間均優(yōu)于相同能量的碳離子和較低能量的氦離子注入制備的PL6色心。

實驗結(jié)果。圖a.單個雙空位色心陣列的共聚焦熒光掃描圖；

b.單個PL6色心在3小時內(nèi)的時間分辨光致發(fā)光激發(fā)譜；

c.單個PL6色心的角分辨共振激發(fā)譜；

d.單個PL4和PL6的在相同激發(fā)功率下光電離速率的比較；

e.不同制備方法得到單個PL6的共振激發(fā)譜線寬；

f.不同制備方法得到單個PL6的自旋相干時間。

結(jié)合此前研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)的PL6色心在室溫下具備高發(fā)光亮度和大自旋讀出對比度的成果[Natl. Sci. Rev. 9, nwab122 (2022)]，本項工作進(jìn)一步展示了PL6色心在全溫域量子信息處理中的巨大潛力。通過將聚焦氦離子束的精準(zhǔn)制備技術(shù)與碳化硅中PL6色心的獨特性質(zhì)相結(jié)合，有望實現(xiàn)PL6色心與微納光學(xué)器件的高效耦合，從而推動高效量子信息處理的實現(xiàn)。

中國科學(xué)院量子信息重點實驗室博士生何楨暄、博士后周繼陽為論文的共同第一作者。該工作得到了科技部、國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、安徽省和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-53662-y

（中國科學(xué)院量子信息重點實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/89785.htm

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