固態(tài)自旋色心是量子信息處理的重要研究平臺(tái)，金剛石NV色心是其突出的代表。自從1997年德國(guó)研究團(tuán)隊(duì)報(bào)道了室溫下單個(gè)金剛石NV色心的探測(cè)以來(lái)，金剛石NV色心在量子計(jì)算、量子網(wǎng)絡(luò)和量子傳感等方面取得了重要進(jìn)展。近年來(lái)，為了利用更成熟的材料加工技術(shù)和器件集成工藝，學(xué)界開始關(guān)注其他半導(dǎo)體材料中的相似色心。其中，碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心（缺失一個(gè)硅原子）和雙空位色心（缺失一個(gè)硅原子和一個(gè)近鄰碳原子），因其優(yōu)異的光學(xué)和自旋性質(zhì)引發(fā)學(xué)界廣泛。室溫下單個(gè)硅空位色心的相干操控雖已實(shí)現(xiàn)，但其自旋讀出對(duì)比度只有2%，而且天然塊狀碳化硅材料中單個(gè)硅空位色心的單光子發(fā)光亮度每秒僅有10 k個(gè)計(jì)數(shù)，如此低的自旋讀出對(duì)比度和單光子發(fā)光亮度限制了其在室溫下的實(shí)際應(yīng)用。然而，室溫下單個(gè)雙空位色心的相干操控還未見報(bào)道。

李傳鋒、許金時(shí)研究組利用此前發(fā)展的離子注入制備碳化硅缺陷色心的技術(shù)，制備出雙空位色心陣列。進(jìn)一步利用光探測(cè)磁共振技術(shù)在室溫下實(shí)現(xiàn)了單個(gè)雙空位色心的自旋相干操控，并發(fā)現(xiàn)其中一類雙空位色心（稱為PL6）的自旋讀出對(duì)比度為30%，而且單光子發(fā)光亮度每秒可達(dá)150 k個(gè)計(jì)數(shù)。這兩項(xiàng)重要指標(biāo)相比碳化硅中硅空位色心均提升了一個(gè)數(shù)量級(jí)，第一次展現(xiàn)出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(zhì)，并且單色心電子自旋在室溫下的相干時(shí)間長(zhǎng)達(dá)23微秒。此外，研究團(tuán)隊(duì)還實(shí)現(xiàn)了碳化硅色心中單個(gè)電子自旋與近鄰核自旋的耦合與探測(cè)，為下一步構(gòu)建基于碳化硅自旋色心體系的室溫固態(tài)量子存儲(chǔ)與可擴(kuò)展的固態(tài)量子網(wǎng)絡(luò)奠定了基礎(chǔ)。

由于高讀出對(duì)比度和高單光子發(fā)光亮度在量子信息的一些應(yīng)用中具有重要意義，該研究成果為基于碳化硅的量子器件開辟了一個(gè)新的發(fā)展方向。審稿人對(duì)該研究成果給予了高度評(píng)價(jià)。研究工作獲得科學(xué)技術(shù)部、國(guó)家自然科學(xué)基金委、中科院、安徽省和中國(guó)科大的資助。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖：室溫下單個(gè)PL6色心的光學(xué)與自旋性質(zhì)。（A）單色心陣列熒光成像圖，橙色圈內(nèi)為單個(gè)PL6色心；（B）單光子發(fā)光特性；（C）熒光飽和行為；（D）光探測(cè)磁共振（ODMR）譜；（E）Rabi振蕩；（F）自旋相干時(shí)間