中國(guó)科大郭光燦院士團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)等人與匈牙利魏格納物理研究中心 Adam Gali 教授合作，在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了單個(gè)碳化硅雙空位色心電子自旋在室溫環(huán)境下的高對(duì)比度讀出和相干操控。
這是繼金剛石氮空位(NV)色心后第二種在室溫下同時(shí)具有高自旋讀出對(duì)比度和高單光子發(fā)光亮度的固態(tài)色心，該成果對(duì)發(fā)展基于碳化硅這種成熟半導(dǎo)體材料的量子信息技術(shù)具有重要意義。
據(jù)了解，固態(tài)自旋色心是量子信息處理的重要研究平臺(tái)，金剛石 NV 色心是其突出的代表。自從 1997 年德國(guó)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了室溫下單個(gè)金剛石 NV 色心的探測(cè)以來(lái)，金剛石 NV 色心在量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子傳感等方面都取得了重要進(jìn)展。
同時(shí)，近年來(lái)，為利用更加成熟的材料加工技術(shù)和器件集成工藝，人們開(kāi)始關(guān)注其他半導(dǎo)體材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心因其優(yōu)異的光學(xué)和自旋性質(zhì)引起了人們廣泛的興趣。
在對(duì)碳化硅色心自旋操控研究中，研究團(tuán)隊(duì)利用之前所發(fā)展的離子注入制備碳化硅缺陷色心的技術(shù)制備了雙空位色心陣列。進(jìn)一步利用光探測(cè)磁共振技術(shù)在室溫下實(shí)現(xiàn)單個(gè)雙空位色心的自旋相干操控，并發(fā)現(xiàn)其中一類雙空位色心(稱為 PL6)的自旋讀出對(duì)比度為 30%，而且單光子發(fā)光亮度每秒可達(dá) 150K個(gè)計(jì)數(shù)。
這兩項(xiàng)重要指標(biāo)表打破了此前自旋讀出對(duì)比度 2%，單光子發(fā)光亮度每秒 10K 個(gè)計(jì)數(shù)的記錄，第一次展現(xiàn)了碳化硅自旋色心在室溫下具有與金剛石 NV 色心相媲美的優(yōu)良性質(zhì)，并且單色心電子自旋在室溫下的相干時(shí)間長(zhǎng)達(dá) 23 微秒。
除此之外，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了碳化硅色心中單個(gè)電子自旋與近鄰核自旋的耦合與探測(cè)，為下一步構(gòu)建基于碳化硅自旋色心體系的室溫固態(tài)量子存儲(chǔ)與可擴(kuò)展的固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。
該成果于 2021 年 7 月 5 日在線發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》(National Science Review)雜志上，為基于碳化硅的量子器件開(kāi)辟了一個(gè)新的發(fā)展方向。審稿人評(píng)價(jià)稱：
該論文的發(fā)現(xiàn)解決了碳化硅色心量子技術(shù)應(yīng)用中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，該發(fā)現(xiàn)將會(huì)立即促進(jìn)許多工作的發(fā)展;
其中一些結(jié)果，例如對(duì)一些色心 30% 的讀出對(duì)比度是相當(dāng)了不起的。
中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室博士后李強(qiáng)、王俊峰副研究員為論文的共同第一作者。該工作得到了科技部、國(guó)家基金委、中國(guó)科學(xué)院、安徽省和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。李強(qiáng)得到博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃的資助。
