中国科大碳化硅色心自旋操控研究新突破,为碳化硅量子器件开辟新方向

来自中国科大的消息显示,中国科大郭光灿院士团队李传锋、许金时等人与匈牙利魏格纳物理研究中心 Adam Gali 教授合作,在国际上首次实现了单个碳化硅双空位色心电子自旋在室温环境下的高对比度读出和相干操控。

这是继金刚石氮空位(NV)色心后第二种在室温下同时具有高自旋读出对比度和高单光子发光亮度的固态色心,该成果对发展基于碳化硅这种成熟半导体材料的量子信息技术具有重要意义。

据了解,固态自旋色心是量子信息处理的重要研究平台,金刚石 NV 色心是其突出的代表。自从 1997 年德国研究团队报道了室温下单个金刚石 NV 色心的探测以来,金刚石 NV 色心在量子计算、量子网络和量子传感等方面都取得了重要进展。

同时,近年来,为利用更加成熟的材料加工技术和器件集成工艺,人们开始关注其他半导体材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心因其优异的光学和自旋性质引起了人们广泛的兴趣。

在对碳化硅色心自旋操控研究中,研究团队利用之前所发展的离子注入制备碳化硅缺陷色心的技术制备了双空位色心阵列。进一步利用光探测磁共振技术在室温下实现单个双空位色心的自旋相干操控,并发现其中一类双空位色心(称为 PL6)的自旋读出对比度为 30%,而且单光子发光亮度每秒可达 150K 个计数。

▲ 实验结果图:室温下单个 PL6 色心的光学与自旋性质。(A)单色心阵列荧光成像图,橙色圈内为单个 PL6 色心;(B)单光子发光特性;(C)荧光饱和行为;(D)光探测磁共振(ODMR)谱;(E)Rabi 振荡;(F)自旋相干时间。

这两项重要指标表打破了此前自旋读出对比度 2%,单光子发光亮度每秒 10K 个计数的记录,第一次展现了碳化硅自旋色心在室温下具有与金刚石 NV 色心相媲美的优良性质,并且单色心电子自旋在室温下的相干时间长达 23 微秒。

除此之外,研究团队实现了碳化硅色心中单个电子自旋与近邻核自旋的耦合与探测,为下一步构建基于碳化硅自旋色心体系的室温固态量子存储与可扩展的固态量子网络奠定基础。

该成果于 2021 年 7 月 5 日在线发表于《国家科学评论》(National Science Review)杂志上,为基于碳化硅的量子器件开辟了一个新的发展方向。审稿人评价称:

  • 该论文的发现解决了碳化硅色心量子技术应用中的一个关键问题,该发现将会立即促进许多工作的发展;

  • 其中一些结果,例如对一些色心 30% 的读出对比度是相当了不起的。

中科院量子信息重点实验室博士后李强、王俊峰副研究员为论文的共同第一作者。该工作得到了科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省和中国科学技术大学的资助。李强得到博士后创新人才支持计划的资助。

论文链接:https://doi.org/10.1093/nsr/nwab122

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