中国科大实现碳化硅中改性双空位色心的鲁棒共振激发

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中国科学技术大学郭光灿院士团队在利用碳化硅色心构建量子网络方面取得突破性进展。团队成员李传锋、许金时等人研发了一种基于聚焦氦离子束注入和二次退火技术的制备方法，成功创建了单个碳化硅双空位色心阵列。 他们发现其中一种新型双空位色心（pl6）具有显著的优势：鲁棒的共振激发谱和低光电离率。此项研究成果已于11月22日发表在《自然·通讯》期刊上，为基于碳化硅色心的量子网络应用奠定了坚实基础。

碳化硅双空位色心由一对相邻的碳硅原子缺失构成，具有长自旋相干时间和高自旋选择性光跃迁特性，是构建自旋-光子界面的理想候选材料。然而，普通双空位色心（PL1-PL4）在共振激发下电荷态不稳定，影响自旋-光子界面构建效率。 PL6色心则不同，它与普通双空位色心具有相似的光谱范围和自旋态，但具备更优异的电荷态稳定性（虽然其精确结构仍需进一步研究）。

该团队利用聚焦氦离子束技术精确制备了单个PL6色心阵列。实验结果显示，PL6色心拥有两个相互垂直的偏振主轴，且在3小时的共振激发过程中，光谱频移稳定在50 MHz左右。这使其成为构建自旋-光子纠缠界面的理想平台。 此外，PL6色心展现出低光电离率，在相同激发功率下，其电离率比PL4色心低2.6倍。 不同制备方法的对比实验也表明，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其他方法。

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(图片说明：图a显示单个双空位色心阵列的共聚焦荧光扫描图；图b展示单个PL6色心在3小时内的时间分辨光致发光激发谱；图c为单个PL6色心的角分辨共振激发谱；图d比较单个PL4和PL6在相同激发功率下的光电离速率；图e和图f分别展示不同制备方法得到的单个PL6的共振激发谱线宽和自旋相干时间。)

这项研究，结合团队此前关于PL6色心室温下高发光亮度和大自旋读出对比度的发现，充分展现了PL6色心在全温域量子信息处理中的巨大应用潜力。 通过将精准的聚焦氦离子束制备技术与PL6色心的独特优势相结合，未来有望实现PL6色心与微纳光学器件的高效耦合，从而推动高效量子信息处理技术的进步。 中国科学院量子信息重点实验室博士生何桢暄、博士后周继阳为论文共同第一作者。该研究得到了国家相关部门的资助。

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 2024-12-06