我国科大完成碳化硅中改性双空位色心的鲁棒共振激起

  我校郭光灿院士团队在碳化硅色心的制备和低温共振激起研讨方面获得重要发展。该团队李传锋、许金时等人使用聚集氦离子束注入结合二次退火技能，成功制备出单个碳化硅双空位色心阵列，并发现其间一类改性的双空位色心(PL6)具有鲁棒的共振激起谱和低的光电离速率。这一效果关于推进根据碳化硅色心的量子网络使用具有极端重大意义。研讨效果以“Robust single modified divacancy color centers in 4H-SiC under resonant excitation”为题，11月22日宣布在世界闻名期刊《天然·通讯》上。

  碳化硅的双空位色心是由一对相邻的碳-硅原子缺失所构成，具有长自旋相干时刻和高自旋选择性的光跃迁，是构建自旋-光子界面的重要候选系统。因为空位缺点的格点方位不同，一般的双空位色心有四种变体，别离命名为PL1至PL4。研讨标明，在共振激起条件下，这些一般双空位色心的电荷态会变得不稳定，然后影响自旋-光子界面的构建功率。有必要留意一下的是，碳化硅中还存在一类光谱规模和自旋态与一般双空位色心类似，但具有一起性质的自旋色心，这类色心被称为改性双空位色心（modified divacancy color center）。其间，一种改性双空位色心被命名为PL6。虽然其准确结构没有彻底明晰，但理论研讨猜测，PL6色心具有更加好的电荷态稳定性。

  李传锋、许金时研讨组使用聚集氦离子束注入并结合二次退火技能，在碳化硅中完成了高精度的单个双空位色心阵列的制备。经过测量角分辩共振激起谱，研讨人员观察到PL6色心中两个偏振主轴彼此笔直的共振谱峰，在长达3小时的共振激起进程中，这两条谱峰的均匀光谱频移保持在50 MHz左右。这种优异的偏振特性和光谱稳定性，使得PL6色心成为根据碳化硅色心构建自旋-光子羁绊界面的抱负渠道。

  进一步的研讨标明，在全功率规模内，PL6色心表现出较低的光电离速率。经过共振激起的“双光子进程”会导致色心的光电离现象。研讨之后发现，在低功率下，电离率与共振光功率出现准二次方联系，而在高功率条件下则出现准线性联系。特别地，在相同的共振光功率下，PL6色心的电离率比PL4色心低2.6倍，标明PL6色心在光电离进程中具有更强的鲁棒性。此外，经过对多个样品的统计分析，研讨团队还发现，使用聚集氦离子束制备的PL6色心在低温下的共振激起线宽和自旋相干时刻均优于相同能量的碳离子和较低能量的氦离子注入制备的PL6色心。

  试验效果。图a单个双空位色心阵列的共聚集荧光扫描图；b单个PL6色心在3小时内的时刻分辩光致发光激起谱；c单个PL6色心的角分辩共振激起谱；d单个PL4和PL6的在相同激起功率下光电离速率的比较；e不同制备办法得到单个PL6的共振激起谱线宽；f不同制备办法得到单个PL6的自旋相干时刻。

  结合此前研讨团队发现的PL6色心在室温下具有高发光亮度和大自旋读出对比度的效果[Natl. Sci. Rev. 9, nwab122 (2022)]，本项作业进一步展现了PL6色心在全温域量子信息处理中的巨大潜力。经过将聚集氦离子束的精准制备技能与碳化硅中PL6色心的一起性质相结合，有望完成PL6色心与微纳光学器材的高效耦合，然后推进高效量子信息处理的完成。

  我国科学院量子信息要点试验室博士生何桢暄、博士后周继阳为论文的一起榜首作者。该作业得到了科技部、国家天然科学基金委、我国科学院、安徽省和我国科学技能大学的赞助。

  （我国科学院量子信息要点试验室、物理学院、我国科学院量子信息和量子科学技能创新研讨院、科研部）