日本研发出新型金刚石量子发光体

新技术 2018年04月10日

日本东京工业大学工学院电气电子系助教岩崎孝之和教授波多野睦子,与日本产业技术综合研究所功能材料计算设计研究中心研发小组组长宫本良之、日本物质材料研究机构研发小组组长谷口尚,以及德国乌尔姆大学的教授Fedor Jelezko等人组成联合研发小组,将锡(Sn)注入金刚石中,然后在高温高压下进行加热处理,成功制备了由锡和空位(V)构成的新型发光源(色心)。

研究人员采用离子注入法将锡注入金刚石中,然后把金刚石置于高温高压环境下,锡与空位结合形成了“锡-空位(SnV)”色心。通过理论计算和低温测量证实,SnV色心有望解决至今已存在的有关色心的所有课题。今后,在对自旋相干时间进行充分验证后,SnV有望应用于长距离量子网络通信所需的量子存储器。

<研究成果>

基态分裂是决定自旋相干时间的重要物理量,为实现足够长的自旋相干时间,本次研究尝试了新方法,即在金刚石内制作基态分裂的较大的新色心。研究人员采用重元素锡取代以前使用的硅和锗(Ge),将其注入金刚石中,并在高温高压状态(7.7GPa=吉帕斯卡,2100℃)下进行加热处理,由此,锡与空位结合形成了“锡-空位(SnV)”色心。

通过基于量子力学基本原理的第一原理计算证实,注入金刚石中的大型锡原子进入晶格间隙,形成了被2个空位夹在中间的结构。这种原子配置不容易受电场等外部干扰的影响,能获得稳定的发光波长。研究人员通过实验发现,室温下SnV色心在619纳米(nm)波长处出现敏锐的零声子线发光。此外,实验还成功地使SnV色心作为单一发光源进行工作,并且确认其发光强度高于以往的色心(NV、SiV)。

研究人员在冷却状态下测量发现,SnV色心零声子线分裂为4条,基态分裂比SiV和GeV色心大,约为850GHz。由于这个基态分裂远远大于SiV的48GHz,因此还能大幅降低晶格振动的影响,而晶格振动会造成存储时间缩短。由此预测,在2K左右的温度下能实现足够长的自旋相干时间(毫秒)。SnV也无需使用SiV不可或缺的稀释制冷机,有望作为量子网络中的量子存储器使用,这一发现对确立拥有较长自旋相干时间的光-物质量子接口,可能会是重大突破。

<参考图>

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图1:金刚石中的SnV色心

左:IV族元素周期表。

中间:经过高温高压加热处理后的SnV色心的发光光谱。

右:SnV色心的原子级结构。红球和黑球分别为锡原子和碳原子。

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图2:SnV色心的详细结构及能量分裂宽度

基态通过自旋‐轨道耦合作用进行分裂。越是大型元素,自旋‐轨道耦合作用越大,因此分裂宽度也会变大。

客观日本编辑部

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