中国科大与泰国朱拉隆功大学合作实现碳化硅改性双空位色心的电荷态调控

中国科大郭光灿院士团队在碳化硅改性双空位色心电荷态调控的研究中取得了新进展。该团队的李传锋、许金时等研究人员与泰国朱拉隆功大学的Wiwittawin Sukmas、Pranut Potiyaraj等人合作，成功实现了碳化硅改性双空位色心的可逆电荷态调控，并证实了改性双空位色心电离过程的自旋依赖性。这一成果为发展基于自旋—电荷态转换和光电流探测的碳化硅自旋量子比特读出技术奠定了重要基础。2月12日，相关成果以“Charge-State Control of Modified Divacancies in Silicon Carbide”为题在线发表在国际知名期刊《Nano Letters》上。

固态自旋色心是量子信息处理领域的重要平台，广泛应用于单光子源和自旋量子比特的研究。在这些应用中，色心电荷态的调控具有至关重要的作用。色心电荷态的转变可能会导致荧光淬灭现象，影响光子发射的稳定性；而通过将容易退相干的自旋态投影到更为稳健的电荷态中，则有望实现固态色心自旋的单发读取。碳化硅中含有多种自旋色心。研究发现，对于传统的双空位色心，其电荷态可以在976 nm光的照射下，由中性电荷态（VV⁰）转变为带负电的电荷态（VV^–）。此外，碳化硅中还存在一类改性双空位色心，虽然其具体原子结构尚未完全明确，但研究团队前期的研究表明，这些改性双空位色心在室温下具有优良的荧光性质和自旋读出对比度，是量子信息处理的理想载体[Natl. Sci. Rev. 9, nwab122 (2022)]。尽管如此，至今尚未观察到改性双空位在非共振激发下的电荷态转换。

为此，研究团队通过氧离子注入，在4H碳化硅外延层中制备了高浓度的改性双空位色心。在室温下，利用1064 nm和914 nm激光分别激发实现了改性双空位色心的光电离和光充电过程，演示了可逆电荷态调控。通过测量不同激发光功率下的光电离和光充电曲线，研究人员得到光电离速率和光充电速率随光功率变化的线性关系（如图a和b所示），并提出了由载流子陷阱介导的改性双空位电荷态转换模型，为理解该过程提供了新的视角。

此外，研究团队还证实了改性双空位色心电离过程中的自旋依赖性。研究表明，改性双空位色心对于导带电子的俘获概率受到自身自旋态的影响。通过施加微波脉冲，将改性双空位色心置于不同的自旋态上，并分别测量电离过程中的荧光强度衰减，实验结果验证了电离过程的自旋依赖性（如图c和d所示）。

实验结果图。a)光电离速率随1064 nm光功率变化的实验曲线；b)光充电速率随914 nm光功率变化的实验曲线；c)改性双空位PL6色心在电离过程中的荧光强度相对衰减随微波脉冲长度变化的曲线；d)改性双空位PL6色心在电离后的荧光强度随微波脉冲长度变化的曲线。

本成果首次实现了碳化硅改性双空位色心在非共振激发下的电荷态调控，且证实了电离过程的自旋依赖性，为未来实现碳化硅自旋量子比特的可扩展、可集成电学界面提供了重要依据。

论文第一作者为量子网络安徽省重点实验室博士后林吴曦，研究得到了国家科技重大专项、国家自然科学基金委员会、中国博士后科学基金以及中国科学技术大学的资助。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.nanolett.5c05874

（量子网络安徽省重点实验室、物理学院、中国科学院量子信息与量子科技创新研究院、科研部）