中国科大实现通讯波段碳化硅色心的室温自旋操控

中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在碳化硅色心自旋操控研究中取得新进展。该团队李传锋、许金时、王俊峰等人与其合作者在国际上首次实现了碳化硅中氮-空位（NV）色心的室温相干操纵，并且实现了单个NV色心的可控制备和光探测磁共振谱的探测。这种色心的发光波长在通讯波段，在量子通信和量子网络中具有重要用途。该成果于6月1日发表于国际物理学期刊《物理评论快报》，并被美国物理学家组织网Phys.org专题报道。

具有通讯波段荧光和可调控自旋的固态色心体系是远距离量子中继和分布式量子计算的重要平台。碳化硅色心自旋操控是近几年新兴的研究方向。碳化硅是一种应用广泛的宽禁带半导体材料，有成熟的生长和微纳加工艺以及掺杂技术，并且晶型多样，可供研究的色心类型非常丰富。而且在相同条件下碳化硅色心自旋的相干时间要比金刚石NV色心的长。基于碳化硅色心自旋的量子器件十分适合光电集成以及产业化。

目前碳化硅中主要研究的自旋色心有硅空位色心（缺失一个硅原子）和双空位色心（缺失硅原子和近邻的碳原子），然而它们的荧光光谱只是处于近红外波段。最近的研究发现碳化硅中存在带负电的NV色心（一个碳原子被氮原子取代同时缺失了近邻的硅原子）并且其荧光光谱处于通讯波段。但是之前的工作局限在对其低温光谱和电子顺磁共振的研究，自旋相干性质和单个NV色心的可控制备尚缺乏相关报道。

研究组通过优化注入条件和退火温度实现了碳化硅中NV色心浓度的6倍增强，从而有效地排除了其他色心的干扰。在此基础上，研究组实现了碳化硅NV色心系综的室温光探测磁共振谱的检测，并且实现了室温自旋相干操纵，其相干时间T2达到17.1 μs。而且发现其退相位时间T2*随着注入剂量的增加而降低。研究组还进一步实现了单个NV色心阵列的制备和光探测磁共振谱的检测。本实验为利用加工技术成熟的碳化硅材料中的NV色心实现可扩展量子信息处理奠定了重要基础。

该工作得到审稿人的高度评价：“这是第一篇关于室温的碳化硅中NV色心报道，尤其是观测和证明了单个NV色心”，“我认为这些结果意义重大，将会引起很多研究色心体系的量子信息物理学家的兴趣。”该工作被美国物理学家组织网Phys.org 以Manufacturing-friendly SiC boasts quantum credentials at telecom wavelengths 为题专题报道。

中科院量子信息重点实验室教授李传锋、许金时为论文共同通讯作者，副研究员王俊峰为论文第一作者。该工作得到科技部、国家基金委、中科院、安徽省以及中国科大的资助。

图(a) 碳化硅NV色心系综的室温光探测磁共振谱, (b) 碳化硅NV色心系综的室温自旋回波, (c) 碳化硅材料中单NV色心阵列的荧光成像图, (d) 单个NV色心的光探测磁共振谱（插图是单个NV色心发光的二阶关联函数，展示了单光子发光特性）

来源：中国科学技术大学

研究人员首次在室温下实现深紫外激光二极管的连续波段放电

科学家们已经成功地进行了世界上第一次深紫外激光二极管（波长低至紫外-C区域）的室温连续波放电。这些结果代表着向广泛使用这项技术迈出了一步，该技术具有广泛的应用潜力，包括消毒和医疗。

这项研究成果今天（11月24日）发表在期刊《应用物理学通讯》上，由2014年诺贝尔奖得主天野浩领导的研究小组与旭化成公司合作，在日本中部的名古屋大学材料与系统可持续发展研究所（IMaSS）进行。

自20世纪60年代推出以来，经过几十年的研究和开发，激光二极管（LD）终于成功实现了商业化，用于波长从红外到蓝紫色的一些应用。这种技术的例子包括使用红外LD的光通信设备和使用蓝紫色LD的蓝光光盘。然而，尽管世界各地的研究小组都在努力，但没有人能够开发出深紫外LD。2007年以后，随着制造氮化铝（AlN）基板的技术的出现，才出现了一个关键的突破，这是一种用于生长紫外发光器件的氮化铝（AlGaN）薄膜的理想材料。

科学家们在世界范围内首次展示了深紫外激光二极管在室温下的连续波放电。资料来源：Issey Takahashi

从2017年开始，天野教授的研究小组与提供2英寸AlN基板的旭化成公司合作，开始开发深紫外LD。起初，向设备中充分注入电流过于困难，阻碍了紫外-C激光二极管的进一步发展。但在2019年，该研究小组利用极化诱导的掺杂技术成功地解决了这个问题。他们首次生产出了一种短波长的紫外线-可见光（UV-C）LD，该器件以短脉冲电流运行。然而，这些电流脉冲所需的输入功率为5.2瓦。这对于连续波发光来说太高了，因为功率会导致二极管迅速升温并停止发光。

但是现在，来自名古屋大学和旭化成的研究人员已经重塑了设备本身的结构，减少了激光器所需的驱动功率，使其在室温下的工作功率仅为1.1W。早期的设备被发现需要很高的工作功率，因为由于激光条纹处出现的晶体缺陷而无法形成有效的电流路径。但在这项研究中，研究人员发现，强烈的晶体应变产生了这些缺陷。通过巧妙地裁剪激光条纹的侧壁，他们抑制了这些缺陷，实现了有效的电流流向激光二极管的活性区域，并降低了工作功率。

名古屋大学的产学合作平台，即未来电子学综合研究中心、变革性电子设施（C-TEFs），使新的紫外激光技术的开发成为可能。在C-TEFs下，来自旭化成等合作伙伴的研究人员可以共享名古屋大学校园内最先进的设施，为他们提供建造可重复的高质量设备所需的人员和工具。研究小组的代表Zhang Ziyi在参与项目创建时，正在旭化成公司读二年级。"我想做一些新的事情，"他在接受采访时说。"当时大家都认为深紫外激光二极管是不可能的，但天野教授告诉我，'我们已经做到了蓝色激光，现在是紫外线的时候了'。"

这项研究是所有波长范围的半导体激光器的实际应用和发展的一个里程碑。未来，紫外-C激光器可应用于医疗保健、病毒检测、颗粒物测量、气体分析和高清激光处理。"它在消毒技术方面的应用可能是开创性的，"Zhang说。"与目前的LED消毒方法不同，它的时间效率很低，激光可以在短时间内进行大面积的消毒，而且距离很远"。这项技术可能特别有利于需要消毒手术室和自来水的外科医生和护士。

成功的结果已在《应用物理学通讯》杂志的两篇论文中报告。

相关问答

...析一下红外线测温仪的工作原理以及“浴霸”的工作原理_作业帮

[最佳回答]当用红外辐射测温仪测量目标的温度时首先要测量出目标在其波段范围内的红外辐射量,然后由测温仪计算出被测目标的温度.单色测温仪与波段内的辐射量...

【光照射到物体表面时与电子的微观作用方式,被反射和被吸收...

[回答]1.从量子力学来看,粒子都具有“波粒二象性”,比如说光,既可以看作是由光子组成的,又可以看作是一种波.我们平常所说的光是指我们人肉眼可以看到的可...

红外热成像原理?

其本质就是对红外波段的能量进行成像,然后通过伪着色处理,不同颜色表示不同温度,从而直观的看到物体表面的温度分布情况。而且,红外热成像仪不仅能实现非接...

红外线加热具体是什么呢?

先简单介绍一下一般的红外线治疗仪,主要是将电阻丝缠绕在磁棒上(涂有远红外线原料),通电后电阻丝产生的热使罩在电阻丝外的碳棒温度升高(<500摄氏度)。发...

"温度越高的物体,其辐射却越强的部分,波长越短."请问是什么意...

[回答]任何温度的物体都辐射各种波长的光(电磁波),每个波段内(比如99赫兹到100赫兹,这就算一个波段,当然理论上频率的间隔是无穷小的,理解的时候,把它想成...

激光脱毛是怎么做的?

[回答]病情分析:激光脱毛一般是依据选择性热动力学作用原理,利用最新激光技术除毛。激光机发射的光束会穿透皮肤表层最终被毛囊吸收,通过对激光能量的有...

光热效应原理?

光电效应和光热效应有原理、特性和应用领域三方面的区别。一、原理不同1、光电效应的原理:单个光子的性质对产生的光电子起直接作用的一类光电效应。探测器...

红外热成像运用光电技术检测物体热辐射的红外线特定波段信号...

[最佳回答]单选肯定是B,多选是BD

红外成像技术原理?

通过光学成像系统接收被测目标的红外辐射能量,然后将其作用到红外探测器的光敏元件上,通过后继电路和信号处理后获得红外热像图。其本质就是对红外波段的能量...

什么是热辐射的含义?

热辐射的主要特性是波长主要集中在红外波段,即大约在780纳米到1毫米的波长范围内。这种电磁波是非电离辐射,这意味着它没有足够的能量来电离原子或分子,因此对...