中國(guó)科學(xué)院院士、中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授郭光燦團(tuán)隊(duì)在碳化硅色心自旋操控研究中取得新進(jìn)展。該團(tuán)隊(duì)李傳鋒、許金時(shí)、王俊峰等人與其合作者在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了碳化硅中氮-空位（NV）色心的室溫相干操縱，并且實(shí)現(xiàn)了單個(gè)NV色心的可控制備和光探測(cè)磁共振譜的探測(cè)。這種色心的發(fā)光波長(zhǎng)在通訊波段，在量子通信和量子網(wǎng)絡(luò)中具有重要用途。該成果于6月1日發(fā)表于國(guó)際物理學(xué)期刊《物理評(píng)論快報(bào)》，并被美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)Phys.org專題報(bào)道。

具有通訊波段熒光和可調(diào)控自旋的固態(tài)色心體系是遠(yuǎn)距離量子中繼和分布式量子計(jì)算的重要平臺(tái)。碳化硅色心自旋操控是近幾年新興的研究方向。碳化硅是一種應(yīng)用廣泛的寬禁帶半導(dǎo)體材料，有成熟的生長(zhǎng)和微納加工藝以及摻雜技術(shù)，并且晶型多樣，可供研究的色心類型非常豐富。而且在相同條件下碳化硅色心自旋的相干時(shí)間要比金剛石NV色心的長(zhǎng)?；谔蓟枭淖孕牧孔悠骷诌m合光電集成以及產(chǎn)業(yè)化。

目前碳化硅中主要研究的自旋色心有硅空位色心（缺失一個(gè)硅原子）和雙空位色心（缺失硅原子和近鄰的碳原子），然而它們的熒光光譜只是處于近紅外波段。最近的研究發(fā)現(xiàn)碳化硅中存在帶負(fù)電的NV色心（一個(gè)碳原子被氮原子取代同時(shí)缺失了近鄰的硅原子）并且其熒光光譜處于通訊波段。但是之前的工作局限在對(duì)其低溫光譜和電子順磁共振的研究，自旋相干性質(zhì)和單個(gè)NV色心的可控制備尚缺乏相關(guān)報(bào)道。

研究組通過(guò)優(yōu)化注入條件和退火溫度實(shí)現(xiàn)了碳化硅中NV色心濃度的6倍增強(qiáng)，從而有效地排除了其他色心的干擾。在此基礎(chǔ)上，研究組實(shí)現(xiàn)了碳化硅NV色心系綜的室溫光探測(cè)磁共振譜的檢測(cè)，并且實(shí)現(xiàn)了室溫自旋相干操縱，其相干時(shí)間T2達(dá)到17.1 μs。而且發(fā)現(xiàn)其退相位時(shí)間T2*隨著注入劑量的增加而降低。研究組還進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了單個(gè)NV色心陣列的制備和光探測(cè)磁共振譜的檢測(cè)。本實(shí)驗(yàn)為利用加工技術(shù)成熟的碳化硅材料中的NV色心實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子信息處理奠定了重要基礎(chǔ)。

該工作得到審稿人的高度評(píng)價(jià)：“這是第一篇關(guān)于室溫的碳化硅中NV色心報(bào)道，尤其是觀測(cè)和證明了單個(gè)NV色心”，“我認(rèn)為這些結(jié)果意義重大，將會(huì)引起很多研究色心體系的量子信息物理學(xué)家的興趣。”該工作被美國(guó)物理學(xué)家組織網(wǎng)Phys.org 以Manufacturing-friendly SiC boasts quantum credentials at telecom wavelengths 為題專題報(bào)道。

中科院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室教授李傳鋒、許金時(shí)為論文共同通訊作者，副研究員王俊峰為論文第一作者。該工作得到科技部、國(guó)家基金委、中科院、安徽省以及中國(guó)科大的資助。

圖(a) 碳化硅NV色心系綜的室溫光探測(cè)磁共振譜, (b) 碳化硅NV色心系綜的室溫自旋回波, (c) 碳化硅材料中單NV色心陣列的熒光成像圖, (d) 單個(gè)NV色心的光探測(cè)磁共振譜（插圖是單個(gè)NV色心發(fā)光的二階關(guān)聯(lián)函數(shù)，展示了單光子發(fā)光特性）。