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媲美金刚石NV色心的新星——碳化硅双空位PL6色心

想得开居士 08月02日

固态自旋色心是量子信息处理的重要研究平台,金刚石氮空位(NV)色心是其突出代表。最近,中国科学技术大学郭光灿院士团队,李传锋、许金时研究组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NV色心之后,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(一种成熟的半导体材料)的量子信息技术具有重要意义。相关成果发表于《国家科学评论》(National Science Review, NSR)。20210803212537_18d7c6.jpg研究者利用他们之前发展的离子注入制备碳化硅缺陷色心的技术[ACS Photonics 6, 1736-1743 (2019); PRL 124, 223601 (2020)],制备了双空位色心阵列(缺失一个硅原子和一个近邻碳原子),并进一步利用光探测磁共振技术,在室温下实现了对单个双空位色心的自旋相干操控。

研究发现,其中一类双空位色心(称为PL6)的自旋读出对比度为30%,单光子发光亮度每秒可达150 k个计数。与此前研究中碳化硅中的硅空位色心(缺失一个硅原子)相比,这两项重要指标均提升了一个数量级。20210803212538_2506a3.jpg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。

接着,研究者还实现了对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了基础。

该工作第一次展示,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,为基于碳化硅的量子器件开辟了一个新的发展方向。此项工作得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院、中国博士后科学基金委、安徽省和中国科学技术大学的资助。

来源:两江科技评论

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金刚石氮空位(NV)色心 固态自旋色心 量子信息处理

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