Prof. Li Chuanfeng, Prof. Xu Jinshi en hun collega's van de groep van Prof. Guo Guangcan aan de Universiteit van Wetenschap en Technologie van China (USTC) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS), realiseerde voor het eerst de contrastrijke uitlezing en coherente manipulatie van een enkele siliciumcarbide divacancy-kleurcentrum-elektronenspin bij kamertemperatuur. Ze werkten samen met Prof. Adam Gali, van het Wigner Research Center for Physics in Hongarije. Dit werk is gepubliceerd in Nationale wetenschappelijke recensie op 5 juli, 2021.

Solid-state spin-kleurcentra zijn van het grootste belang in veel toepassingen van kwantumtechnologieën, voornamelijk het stikstof-leegstand (NV) centrum in diamant. Sinds de detectie van individuele NV-defectcentra in diamant bij kamertemperatuur in 1997 werd gemeld, de NV-centra in diamant zijn toegepast op veelzijdige velden, inclusief kwantumcomputers, kwantumnetwerken en kwantumdetectie.

Onlangs, om te profiteren van meer volwassen materiaalverwerking en apparaatintegratietechnologieën, onderzoekers zoeken vergelijkbare kleurcentra in andere halfgeleidermaterialen. Onder hen, de spinkleurcentra in siliciumcarbide, inclusief siliciumvacatures (ontbrekend een siliciumatoom) en divaccies (ontbrekend een siliciumatoom en een aangrenzend koolstofatoom), hebben brede belangstelling getrokken vanwege uitstekende optische en spin-eigenschappen.

Echter, het typische uitleescontrast via coherente manipulatie bij kamertemperatuur van de enkele kleurcentra van de siliciumvacature is slechts 2%, en het aantal fotonen is ook zo laag als 10 kilotellingen per seconde. Deze tekorten beperken de praktische toepassing van de coherente manipulatie van de enkele kleurcentra van siliciumvacatures bij kamertemperatuur.

Onderzoekers van USTC implanteerden defecte kleurcentra in SiC met hun ionenimplantatietechniek om een ​​divacancy-kleurcentrumarray te vervaardigen. Ze bereikten spin-coherente manipulatie van het enkele divacancy-kleurencentrum bij kamertemperatuur met de optisch gedetecteerde magnetische resonantie (ODMR), tegelijkertijd, ze ontdekten dat één type divacancy-kleurcentra (PL6) een afleescontrast van 30% had, waarvan de emissiesnelheid van één foton tot 150 kilotellingen per seconde bedroeg.

Deze twee belangrijke parameters zijn een orde van grootte hoger dan het silicium-vacature-kleurcentrum in SiC. Voor de eerste keer, de spinkleurcentra van SiC vertoonden uitstekende eigenschappen vergelijkbaar met het diamant NV-kleurcentrum bij kamertemperatuur. Vooral, de coherentietijd van de elektronenspin bij kamertemperatuur werd verlengd tot 23 microseconden. Bovendien, het onderzoeksteam realiseerde ook de koppeling en detectie van een enkele elektronenspin en een nabijgelegen nucleaire spin in SiC-kleurcentra.

Dit werk legt de basis voor het bouwen van solid-state kwantumopslag bij kamertemperatuur en schaalbare solid-state kwantumnetwerken die zijn gebaseerd op het SiC-spinkleurcentrumsysteem. Het is essentieel voor de volgende generatie hybride kwantumapparaten om spindefecten met een hoog uitleescontrast en een hoge fotontellingssnelheid te integreren in hoogwaardige SiC-elektronenapparaten.