中國科大碳化硅色心自旋操控研究新成果 為碳化硅量子器件開辟新方向

7月12日消息（余予）來自中國科大的消息顯示，中國科大郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時等人與匈牙利魏格納物理研究中心Adam Gali教授合作，在國際上首次實現(xiàn)了單個碳化硅雙空位色心電子自旋在室溫環(huán)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(fā)光亮度的固態(tài)色心，該成果對發(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，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(wǎng)絡(luò)和量子傳感等方面都取得了重要進展。

同時，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。

在對碳化硅色心自旋操控研究中，研究團隊利用之前所發(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。進一步利用光探測磁共振技術(shù)在室溫下實現(xiàn)單個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）的自旋讀出對比度為30%，而且單光子發(fā)光亮度每秒可達150k個計數(shù)。

實驗結(jié)果圖：室溫下單個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）自旋相干時間。

這兩項重要指標表打破了此前自旋讀出對比度2%，單光子發(fā)光亮度每秒10K個計數(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間長達23微秒。

除此之外，研究團隊實現(xiàn)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(gòu)建基于碳化硅自旋色心體系的室溫固態(tài)量子存儲與可擴展的固態(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)評論》（National Science Review）雜志上，為基于碳化硅的量子器件開辟了一個新的發(fā)展方向。審稿人評價稱：

·該論文的發(fā)現(xiàn)解決了碳化硅色心量子技術(shù)應(yīng)用中的一個關(guān)鍵問題，該發(fā)現(xiàn)將會立即促進許多工作的發(fā)展；

·其中一些結(jié)果，例如對一些色心30%的讀出對比度是相當了不起的。

中科院量子信息重點實驗室博士后李強、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。李強得到博士后創(chuàng)新人才支持計劃的資助。

論文鏈接：http://m.ygpos.cn/uploadfile/2021/0713/202107130810062G

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