近日，中國科大團隊在國際上首次實現(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體材料的量子信息技術具有重要意義。該成果日前在線發(fā)表于《國家科學評論》雜志上。
固態(tài)自旋色心是量子信息處理的重要研究平臺，金剛石NV色心是其突出的代表，在量子計算、量子網(wǎng)絡和量子傳感等方面都取得了重要進展。近年來，人們開始關注其他半導體材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心因其優(yōu)異的光學和自旋性質引起了人們廣泛的興趣。但其自旋讀出對比度只有2%，而且天然塊狀碳化硅材料中單個硅空位色心的單光子發(fā)光亮度每秒僅有10k個計數(shù)，如此低的自旋讀出對比度和單光子發(fā)光亮度極大地限制了其在室溫下的實際應用。
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制備了雙空位色心陣列。進一步利用光探測磁共振技術在室溫下實現(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)。這兩項重要指標相比碳化硅中硅空位色心均提升了一個數(shù)量級，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，并且單色心電子自旋在室溫下的相干時間長達23微秒。
由于高讀出對比度和高單光子發(fā)光亮度在量子信息的許多應用中至關重要，該成果為基于碳化硅的量子器件開辟了一個新的發(fā)展方向。審稿人高度評價該工作：“該論文的發(fā)現(xiàn)解決了碳化硅色心量子技術應用中的一個關鍵問題，該發(fā)現(xiàn)將會立即促進許多工作的發(fā)展”，“其中一些結果，例如對一些色心30%的讀出對比度是相當了不起的”。
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