來自中國科大的消息顯示,中國科大郭光燦院士團(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 色心的探測以來,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,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)。
▲ 實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖:室溫下單個(gè) PL6 色心的光學(xué)與自旋性質(zhì)。(A)單色心陣列熒光成像圖,橙色圈內(nèi)為單個(gè) PL6 色心;(B)單光子發(fā)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(shí)間。
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,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、國家基金委、中國科學(xué)院、安徽省和中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。李強(qiáng)得到博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃的資助。
論文鏈接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab122
廣告聲明:文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接(包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式),用于傳遞更多信息,節(jié)省甄選時(shí)間,結(jié)果僅供參考,IT之家所有文章均包含本聲明。