中国科大实现碳化硅中改性双空位色心的鲁棒共振激发
我校郭光灿院士团队在碳化硅色心的制备和低温共振激发研究方面取得重要进展。该团队李传锋、许金时等人利用聚焦氦离子束注入结合二次退火技术，成功制备出单个碳化硅双空位色心阵列，并发现其中一类改性的双空位色心(PL6)具有鲁棒的共振激发谱和低的光电离速率。这一成果对于推动基于碳化硅色心的量子网络应用具有重要意义。研究成果以“Robust single modified divacancy color centers in 4H-SiC under resonant excitation”为题，11月22日发表在国际知名期刊《自然·通讯》上。
碳化硅的双空位色心是由一对相邻的碳-硅原子缺失所形成，具有长自旋相干时间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体系。由于空位缺陷的格点位置不同(tóng)，普(pǔ)通(tōng)的(de)双(shuāng)空(kōng)位(wèi)色(sè)心(xīn)有(yǒu)四(sì)种(zhǒng)变(biàn)体(tǐ)，分(fēn)别(bié)命(mìng)名为(wèi)PL1至(zhì)PL4。研(yán)究(jiū)表(biǎo)明(míng)，在(zài)共(gòng)振(zhèn)激(jī)发(fā)条(tiáo)件(jiàn)下(xià)，这(zhè)些(xiē)普(pǔ)通(tōng)双(shuāng)空(kōng)位(wèi)色(sè)心(xīn)的(de)电(diàn)荷(hé)态(tài)会(huì)变得不稳定，进而影响自旋-光(guāng)子(zi)界(jiè)面(miàn)的(de)构(gòu)建(jiàn)效(xiào)率。值得注意的是，碳化硅中还存在一类光谱范围和自旋态与普通双空位色心相似，但具有独特性质的自旋色心，这类色心被称为改性双空位色心（modified divacancy color center）。其中，一种改性双空位色心被命名为PL6。尽管其精确结构尚未完全明了，但理论研究预测，PL6色心具有更好的电荷态稳定性。
李传锋、许金时研究(jiū)组(zǔ)利用聚焦氦离子束注入并结合二次退火技术，在碳化硅中实现了高精度的单个双空位色心阵列的制备。通过测量角分辨共振激发谱，研究人员观察到PL6色心中两个偏振主轴相互垂直的共振谱峰，在长达3小时的共振激发过程中，这两条谱峰的平均光谱频移保持在50 MHz左右。这种优异的偏振特性和光谱稳定性，使得PL6色心成为基于碳化硅色心构建自旋-光子纠缠界面的理想平台。
进一步的研究表明，在全功率范围内，PL6色心表现出较低的光电离速率。通过共振激发的“双光子过程”会导致色心的光电离现象。研究发现，在低功率下，电离率与共振光功率呈现准二次方关系，而在高功率条件下则呈现准线性关系。特(tè)别(bié)地(de)，在(zài)相同的共振光功率下，PL6色心的电离率比PL4色心低2.6倍，表明PL6色心在光电离过程中具备更强的鲁棒性。此外，通过对多个样品的统计分析，研究团队还发现，利用聚焦氦离子束制备的PL6色心在低温下的共振激发线宽和自旋相干时间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。
实验结果。图a单个双空位色心阵列的共聚焦荧光扫描图；b单个PL6色心在3小时内的时间分辨光致发光激发谱；c单个PL6色心的角分辨共振激发谱；d单个PL4和PL6的在相同激发功率(lǜ)下(xià)(xià)光(guāng)(guāng)电(diàn)(diàn)离(lí)(lí)速(sù)率(lǜ)的(de)比(bǐ)较(jiào)；e不(bù)同(tóng)制(zhì)备方法得到单个PL6的共振激发谱线宽；f不同制备方法得到单个PL6的自旋相干时间。
结合此前研究团队发现的PL6色心在室温下具备高发光亮度和大自旋读出对比度的成果[Natl. Sci. Rev. 9, nwab122 (2022)]，本项工作进一步展示了PL6色心在全温域量子信息处理中(zhōng)的(de)巨(jù)大(dà)潜(qián)力(lì)。通(tōng)过(guò)将(jiāng)聚(jù)焦(jiāo)氦(hài)离(lí)子(zi)束(shù)的(de)精(jīng)准(zhǔn)制(zhì)备(bèi)技(jì)术(shù)与(yǔ)碳(tàn)化(huà)硅(guī)中(zhōng)PL6色(sè)心(xīn)的(de)独(dú)特(tè)性(xìng)质(zhì)相(xiāng)结(jié)合(hé)，有(yǒu)望(wàng)实(shí)现(xiàn)PL6色(sè)心(xīn)与(yǔ)微(wēi)纳(nà)光(guāng)学(xué)器(qì)件(jiàn)的(de)高(gāo)效(xiào)耦(ǒu)合(hé)，从(cóng)而(ér)推(tuī)动(dòng)高(gāo)效(xiào)量(liàng)子(zi)信(xìn)息(xi)处(chù)理(lǐ)的(de)实(shí)现(xiàn)。