【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科大郭光燦院士團(tuán)隊在碳化硅改性雙空位色心電荷態(tài)調(diào)控的研究中取得了新進(jìn)展。該團(tuán)隊的李傳鋒、許金時等研究人員與泰國朱拉隆功大學(xué)的Wiwittawin Sukmas、Pranut Potiyaraj等人合作，成功實現(xiàn)了碳化硅改性雙空位色心的可逆電荷態(tài)調(diào)控，并證實了改性雙空位色心電離過程的自旋依賴性。這一成果為發(fā)展基于自旋—電荷態(tài)轉(zhuǎn)換和光電流探測的碳化硅自旋量子比特讀出技術(shù)奠定了重要基礎(chǔ)。2月12日，相關(guān)成果以“Charge-State Control of Modified Divacancies in Silicon Carbide”為題在線發(fā)表在國際知名期刊《Nano Letters》上。
固態(tài)自旋色心是量子信息處理領(lǐng)域的重要平臺，廣泛應(yīng)用于單光子源和自旋量子比特的研究。在這些應(yīng)用中，色心電荷態(tài)的調(diào)控具有至關(guān)重要的作用。色心電荷態(tài)的轉(zhuǎn)變可能會導(dǎo)致熒光淬滅現(xiàn)象，影響光子發(fā)射的穩(wěn)定性；而通過將容易退相干的自旋態(tài)投影到更為穩(wěn)健的電荷態(tài)中，則有望實現(xiàn)固態(tài)色心自旋的單發(fā)讀取。碳化硅中含有多種自旋色心。研究發(fā)現(xiàn)，對于傳統(tǒng)的雙空位色心，其電荷態(tài)可以在976 nm光的照射下，由中性電荷態(tài)(VV0)轉(zhuǎn)變?yōu)閹ж?fù)電的電荷態(tài)(VV-)。此外，碳化硅中還存在一類改性雙空位色心，雖然其具體原子結(jié)構(gòu)尚未完全明確，但研究團(tuán)隊前期的研究表明，這些改性雙空位色心在室溫下具有優(yōu)良的熒光性質(zhì)和自旋讀出對比度，是量子信息處理的理想載體[Natl. Sci. Rev. 9, nwab122 (2022)]。盡管如此，至今尚未觀察到改性雙空位在非共振激發(fā)下的電荷態(tài)轉(zhuǎn)換。
為此，研究團(tuán)隊通過氧離子注入，在4H碳化硅外延層中制備了高濃度的改性雙空位色心。在室溫下，利用1064 nm和914 nm激光分別激發(fā)實現(xiàn)了改性雙空位色心的光電離和光充電過程，演示了可逆電荷態(tài)調(diào)控。通過測量不同激發(fā)光功率下的光電離和光充電曲線，研究人員得到光電離速率和光充電速率隨光功率變化的線性關(guān)系(如圖a和b所示)，并提出了由載流子陷阱介導(dǎo)的改性雙空位電荷態(tài)轉(zhuǎn)換模型，為理解該過程提供了新的視角。
此外，研究團(tuán)隊還證實了改性雙空位色心電離過程中的自旋依賴性。研究表明，改性雙空位色心對于導(dǎo)帶電子的俘獲概率受到自身自旋態(tài)的影響。通過施加微波脈沖，將改性雙空位色心置于不同的自旋態(tài)上，并分別測量電離過程中的熒光強(qiáng)度衰減，實驗結(jié)果驗證了電離過程的自旋依賴性(如圖c和d所示)。
實驗結(jié)果圖。a)光電離速率隨1064 nm光功率變化的實驗曲線；b)光充電速率隨914 nm光功率變化的實驗曲線；c)改性雙空位PL6色心在電離過程中的熒光強(qiáng)度相對衰減隨微波脈沖長度變化的曲線；d)改性雙空位PL6色心在電離后的熒光強(qiáng)度隨微波脈沖長度變化的曲線。
本成果首次實現(xiàn)了碳化硅改性雙空位色心在非共振激發(fā)下的電荷態(tài)調(diào)控，且證實了電離過程的自旋依賴性，為未來實現(xiàn)碳化硅自旋量子比特的可擴(kuò)展、可集成電學(xué)界面提供了重要依據(jù)。
論文第一作者為量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實驗室博士后林吳曦，研究得到了國家科技重大專項、國家自然科學(xué)基金委員會、中國博士后科學(xué)基金以及中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的資助。
(量子網(wǎng)絡(luò)安徽省重點(diǎn)實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部)
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