基于碳化硅的量子器件获重大突破

记者从中国科大获悉，该校郭光灿院士团队李传锋、许金时等人与合作者合作，在国际上首次实现了单个碳化硅双空位色心电子自旋在室温环境下的高对比度读出和相干操控。这是继金刚石氮空位（NV）色心后第二种在室温下同时具有高自旋读出对比度和高单光子发光亮度的固态色心，该成果对发展基于碳化硅这种成熟半导体材料的量子信息技术具有重要意义。该成果日前在线发表于《国家科学评论》杂志上。

固态自旋色心是量子信息处理的重要研究平台，金刚石NV色心是其突出的代表，在量子计算、量子网络和量子传感等方面都取得了重要进展。近年来，人们开始关注其他半导体材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心因其优异的光学和自旋性质引起了人们广泛的兴趣。但其自旋读出对比度只有2%，而且天然块状碳化硅材料中单个硅空位色心的单光子发光亮度每秒仅有10k个计数，如此低的自旋读出对比度和单光子发光亮度极大地限制了其在室温下的实际应用。

研究人员利用之前所发展的离子注入制备碳化硅缺陷色心的技术制备了双空位色心阵列。进一步利用光探测磁共振技术在室温下实现单个双空位色心的自旋相干操控，并发现其中一类双空位色心的自旋读出对比度为30%，而且单光子发光亮度每秒可达150k个计数。这两项重要指标相比碳化硅中硅空位色心均提升了一个数量级，第一次展现了碳化硅自旋色心在室温下具有与金刚石NV色心相媲美的优良性质，并且单色心电子自旋在室温下的相干时间长达23微秒。

由于高读出对比度和高单光子发光亮度在量子信息的许多应用中至关重要，该成果为基于碳化硅的量子器件开辟了一个新的发展方向。审稿人高度评价该工作：“该论文的发现解决了碳化硅色心量子技术应用中的一个关键问题，该发现将会立即促进许多工作的发展”，“其中一些结果，例如对一些色心30%的读出对比度是相当了不起的”。记者吴长锋