中國科學技術大學郭光燦院士團隊在碳化矽色心自旋操控研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、許金時、王俊峰等人與其合作者在國際上首次實現了碳化矽中氮-空位（NV）色心的室溫相干操縱，並且實現了單個NV色心的可控制備和光探測磁共振譜的探測。這種色心的發光波長在通訊波段，在量子通信和量子網絡中具有重要用途。該成果於2020年6月1日發表於國際物理學知名期刊《物理評論快報》上，並被美國物理學家組織網專題報導。
具有通訊波段螢光和可調控自旋的固態色心體系是遠距離量子中繼和分布式量子計算的重要平臺。碳化矽色心自旋操控是近幾年新興的研究方向。碳化矽是一種應用廣泛的寬禁帶半導體材料，有成熟的生長和微納加工藝以及摻雜技術，並且晶型多樣，可供研究的色心類型非常豐富。而且在相同條件下碳化矽色心自旋的相干時間要比金剛石NV色心的長。基於碳化矽色心自旋的量子器件十分適合光電集成以及產業化。
目前碳化矽中主要研究的自旋色心有矽空位色心（缺失一個矽原子）和雙空位色心（缺失矽原子和近鄰的碳原子），然而它們的螢光光譜只是處於近紅外波段。最近的研究發現碳化矽中存在帶負電的NV色心（一個碳原子被氮原子取代同時缺失了近鄰的矽原子）並且其螢光光譜處於通訊波段。但是之前的工作局限在對其低溫光譜和電子順磁共振的研究，自旋相干性質和單個NV色心的可控制備尚缺乏相關報導。
研究組通過優化注入條件和退火溫度實現了碳化矽中NV色心濃度的6倍增強，從而有效地排除了其他色心的幹擾。在此基礎上，研究組實現了碳化矽NV色心系綜的室溫光探測磁共振譜的檢測，並且實現了室溫自旋相干操縱，其相干時間T2達到17.1 μs。而且發現其退相位時間T2*隨著注入劑量的增加而降低。研究組還進一步實現了單個NV色心陣列的製備和光探測磁共振譜的檢測。本實驗為利用加工技術成熟的碳化矽材料中的NV色心實現可擴展量子信息處理奠定了重要基礎。
圖(a) 碳化矽NV色心系綜的室溫光探測磁共振譜， (b) 碳化矽NV色心系綜的室溫自旋迴波， (c) 碳化矽材料中單NV色心陣列的螢光成像圖， (d) 單個NV色心的光探測磁共振譜（插圖是單個NV色心發光的二階關聯函數，展示了單光子發光特性）。
該工作得到了審稿人的高度評價：「This is the first report on NV centers in SiC at RT, and specifically with single-NV observation/proof（這是第一篇關於室溫的碳化矽中NV色心報導，尤其是觀測和證明了單個NV色心）」；「I think these steps are significant and will be of interest to a wide range of physicists working in quantum information and science applications of defect centers（我認為這些結果意義重大，將會引起很多研究色心體系的量子信息物理學家的興趣）」。該工作被美國物理學家組織網Phys.org 以「Manufacturing-friendly SiC boasts quantum credentials at telecom wavelengths」為題專題報導。
中科院量子信息重點實驗室李傳鋒教授、許金時教授為論文共同通訊作者，王俊峰副研究員為論文第一作者。該工作得到了科技部、國家基金委、中國科學院、安徽省以及中國科學技術大學的資助。
（來源：中國科學技術大學 中科院量子信息重點實驗室、中科院量子信息與量子科技創新研究院、科研部）
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