【儀表網 研發快訊】中國科大郭光燦院士團隊在碳化硅改性雙空位色心電荷態調控的研究中取得了新進展。該團隊的李傳鋒、許金時等研究人員與泰國朱拉隆功大學的Wiwittawin Sukmas、Pranut Potiyaraj等人合作，成功實現了碳化硅改性雙空位色心的可逆電荷態調控，并證實了改性雙空位色心電離過程的自旋依賴性。這一成果為發展基于自旋—電荷態轉換和光電流探測的碳化硅自旋量子比特讀出技術奠定了重要基礎。2月12日，相關成果以“Charge-State Control of Modified Divacancies in Silicon Carbide”為題在線發表在國際知名期刊《Nano Letters》上。
固態自旋色心是量子信息處理領域的重要平臺，廣泛應用于單光子源和自旋量子比特的研究。在這些應用中，色心電荷態的調控具有至關重要的作用。色心電荷態的轉變可能會導致熒光淬滅現象，影響光子發射的穩定性；而通過將容易退相干的自旋態投影到更為穩健的電荷態中，則有望實現固態色心自旋的單發讀取。碳化硅中含有多種自旋色心。研究發現，對于傳統的雙空位色心，其電荷態可以在976 nm光的照射下，由中性電荷態(VV0)轉變為帶負電的電荷態(VV-)。此外，碳化硅中還存在一類改性雙空位色心，雖然其具體原子結構尚未完全明確，但研究團隊前期的研究表明，這些改性雙空位色心在室溫下具有優良的熒光性質和自旋讀出對比度，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下的電荷態轉換。
為此，研究團隊通過氧離子注入，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激光分別激發實現了改性雙空位色心的光電離和光充電過程，演示了可逆電荷態調控。通過測量不同激發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系(如圖a和b所示)，并提出了由載流子陷阱介導的改性雙空位電荷態轉換模型，為理解該過程提供了新的視角。
此外，研究團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帶電子的俘獲概率受到自身自旋態的影響。通過施加微波脈沖，將改性雙空位色心置于不同的自旋態上，并分別測量電離過程中的熒光強度衰減，實驗結果驗證了電離過程的自旋依賴性(如圖c和d所示)。
實驗結果圖。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度隨微波脈沖長度變化的曲線。
本成果首次實現了碳化硅改性雙空位色心在非共振激發下的電荷態調控，且證實了電離過程的自旋依賴性，為未來實現碳化硅自旋量子比特的可擴展、可集成電學界面提供了重要依據。
論文第一作者為量子網絡安徽省重點實驗室博士后林吳曦，研究得到了國家科技重大專項、國家自然科學基金委員會、中國博士后科學基金以及中國科學技術大學的資助。
(量子網絡安徽省重點實驗室、物理學院、中國科學院量子信息與量子科技創新研究院、科研部)
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