中國科大郭光燦團隊等在碳化硅色心自旋操控研究新進展

　　中國科學院院士、中國科學技術大學教授郭光燦團隊在碳化硅色心自旋操控研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、許金時等人與匈牙利魏格納物理研究中心教授Adam Gali合作，在國際上首次實現了單個碳化硅雙空位色心電子自旋在室溫環境下的高對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具有高自旋讀出對比度和高單光子發光亮度的固態色心，該成果對發展基于碳化硅這種成熟半導體材料的量子信息技術具有重要意義。相關研究成果于7月5日在線發表在《國家科學評論》（National Science Review）上。

　　固態自旋色心是量子信息處理的重要研究平臺，金剛石NV色心是其突出的代表。自從1997年德國研究團隊報道了室溫下單個金剛石NV色心的探測以來，金剛石NV色心在量子計算、量子網絡和量子傳感等方面取得了重要進展。近年來，為了利用更成熟的材料加工技術和器件集成工藝，學界開始關注其他半導體材料中的相似色心。其中，碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心（缺失一個硅原子）和雙空位色心（缺失一個硅原子和一個近鄰碳原子），因其優異的光學和自旋性質引發學界廣泛。室溫下單個硅空位色心的相干操控雖已實現，但其自旋讀出對比度只有2%，而且天然塊狀碳化硅材料中單個硅空位色心的單光子發光亮度每秒僅有10 k個計數，如此低的自旋讀出對比度和單光子發光亮度限制了其在室溫下的實際應用。然而，室溫下單個雙空位色心的相干操控還未見報道。

　　李傳鋒、許金時研究組利用此前發展的離子注入制備碳化硅缺陷色心的技術，制備出雙空位色心陣列。進一步利用光探測磁共振技術在室溫下實現了單個雙空位色心的自旋相干操控，并發現其中一類雙空位色心（稱為PL6）的自旋讀出對比度為30%，而且單光子發光亮度每秒可達150 k個計數。這兩項重要指標相比碳化硅中硅空位色心均提升了一個數量級，第一次展現出碳化硅自旋色心在室溫下具有與金剛石NV色心相媲美的優良性質，并且單色心電子自旋在室溫下的相干時間長達23微秒。此外，研究團隊還實現了碳化硅色心中單個電子自旋與近鄰核自旋的耦合與探測，為下一步構建基于碳化硅自旋色心體系的室溫固態量子存儲與可擴展的固態量子網絡奠定了基礎。

　　由于高讀出對比度和高單光子發光亮度在量子信息的一些應用中具有重要意義，該研究成果為基于碳化硅的量子器件開辟了一個新的發展方向。審稿人對該研究成果給予了高度評價。研究工作獲得科學技術部、國家自然科學基金委、中科院、安徽省和中國科大的資助。

實驗結果圖：室溫下單個PL6色心的光學與自旋性質。（A）單色心陣列熒光成像圖，橙色圈內為單個PL6色心；（B）單光子發光特性；（C）熒光飽和行為；（D）光探測磁共振（ODMR）譜；（E）Rabi振蕩；（F）自旋相干時間