近日，中國(guó)科大團(tuán)隊(duì)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。該成果日前在線發(fā)表于《國(guó)家科學(xué)評(píng)論》雜志上。
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，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。近年來(lái)，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。但其自旋讀出對(duì)比度只有2%，而且天然塊狀碳化硅材料中單個(gè)硅空位色心的單光子發(fā)光亮度每秒僅有10k個(gè)計(jì)數(shù)，如此低的自旋讀出對(duì)比度和單光子發(fā)光亮度極大地限制了其在室溫下的實(shí)際應(yīng)用。
研究人員利用之前所發(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)相比碳化硅中硅空位色心均提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，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。
由于高讀出對(duì)比度和高單光子發(fā)光亮度在量子信息的許多應(yīng)用中至關(guān)重要，該成果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。審稿人高度評(píng)價(jià)該工作：“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”。
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