記者從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團隊李傳鋒、許金時等人與合作者合作，在國際上首次實現了單個碳化硅雙空位色心電子自旋在室溫環(huán)境下的高對比度讀出和相干操控。這是繼金剛石氮空位(NV)色心后第二種在室溫下同時具有高自旋讀出對比度和高單光子發(fā)光亮度的固態(tài)色心，該成果對發(fā)展基于碳化硅這種成熟半導體材料的量子信息技術具有重要意義。該成果日前在線發(fā)表于《國家科學評論》雜志上。

固態(tài)自旋色心是量子信息處理的重要研究平臺，金剛石NV色心是其突出的代表，在量子計算、量子網絡和量子傳感等方面都取得了重要進展。近年來，人們開始關注其他半導體材料中的相似色心。其中碳化硅中的自旋色心因其優(yōu)異的光學和自旋性質引起了人們廣泛的興趣。但其自旋讀出對比度只有2%，而且天然塊狀碳化硅材料中單個硅空位色心的單光子發(fā)光亮度每秒僅有10 k個計數，如此低的自旋讀出對比度和單光子發(fā)光亮度極大的限制了其在室溫下的實際應用。

研究人員利用之前所發(fā)展的離子注入制備碳化硅缺陷色心的技術制備了雙空位色心陣列。進一步利用光探測磁共振技術在室溫下實現單個雙空位色心的自旋相干操控，并發(fā)現其中一類雙空位色心的自旋讀出對比度為30%，而且單光子發(fā)光亮度每秒可達150k個計數。這兩項重要指標相比碳化硅中硅空位色心均提升了一個數量級，第一次展現了碳化硅自旋色心在室溫下具有與金剛石NV色心相媲美的優(yōu)良性質，并且單色心電子自旋在室溫下的相干時間長達23微秒。

由于高讀出對比度和高單光子發(fā)光亮度在量子信息的許多應用中至關重要，該成果為基于碳化硅的量子器件開辟了一個新的發(fā)展方向。審稿人高度評價該工作：“該論文的發(fā)現解決了碳化硅色心量子技術應用中的一個關鍵問題，該發(fā)現將會立即促進許多工作的發(fā)展” ，“其中一些結果，例如對一些色心30%的讀出對比度是相當了不起的”。(記者 吳長鋒)