微小的原子調(diào)整將硅轉(zhuǎn)變?yōu)榱孔踊ヂ?lián)網(wǎng)的高效光源

通過調(diào)整原子振動(dòng)，研究人員將硅的T中心轉(zhuǎn)變?yōu)榻跬昝赖膯喂庾影l(fā)射器。

在量子物理的奇妙世界中，即使是最微小的調(diào)整也能帶來巨大的回報(bào)。

在一項(xiàng)新研究中，科學(xué)家們表明，只需將硅內(nèi)的一種氫原子替換成稍重的版本，就能顯著提高其產(chǎn)生單光子的能力。

這聽起來可能像是一個(gè)微小的化學(xué)調(diào)整，但它可能對量子計(jì)算機(jī)和超安全通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生重大影響。

研究作者指出："高效的單光子發(fā)射器對于量子技術(shù)，包括量子網(wǎng)絡(luò)和光子量子計(jì)算機(jī)，是非常理想的。"

這項(xiàng)研究挑戰(zhàn)了長期以來的觀點(diǎn)，即硅是量子光源的低效宿主。相反，它表明，已經(jīng)成為現(xiàn)代電子學(xué)基礎(chǔ)的硅，也可能為未來的量子互聯(lián)網(wǎng)提供動(dòng)力。

創(chuàng)造完美的缺陷

這一發(fā)現(xiàn)的核心是硅中一個(gè)微小的不完美點(diǎn)，即T中心。色心是晶格中的一個(gè)小缺陷——在這種情況下，是指嵌入硅中的兩個(gè)碳原子和一個(gè)氫原子。

當(dāng)被激發(fā)時(shí)，這個(gè)缺陷可以發(fā)射出一個(gè)單光子，這正是量子技術(shù)所需要的。T中心特別有吸引力，因?yàn)樗l(fā)出的光波長與光纖互聯(lián)網(wǎng)電纜使用的波段（電信O波段）相同。

這意味著它可以直接連接到當(dāng)今的通信基礎(chǔ)設(shè)施。然而，一直存在一個(gè)問題：T中心有時(shí)會(huì)在不發(fā)光的情況下?lián)p失能量。它沒有釋放光子，而是以振動(dòng)的方式耗散能量——這個(gè)過程被稱為非輻射衰變。

科學(xué)家們知道這種情況會(huì)發(fā)生，但他們不明白原因，也不知道如何阻止它。研究人員決定尋找答案。他們的研究從同位素入手。

"T中心由硅晶格中的兩個(gè)碳原子和一個(gè)氫原子組成，可以產(chǎn)生不同的同位素形式。例如，氫可以是常見的、較輕的同位素（氕），也可以是較稀有、較重的同位素（氘）。"主要研究人員之一莫因·卡澤米表示。

由于氘更重，它改變了原子在晶體內(nèi)的振動(dòng)方式。為了仔細(xì)研究這種效應(yīng)，研究作者首先需要極高純度的硅。

他們在德國的合作伙伴生長了高純度硅晶體，這些晶體最初是為阿伏伽德羅項(xiàng)目開發(fā)的，該項(xiàng)目旨在使用近乎完美的硅球體重新定義千克。這些超潔凈的樣品是研究精細(xì)量子特性的理想材料。

然后，研究人員通過用高能粒子照射硅來創(chuàng)建T中心。照射后，他們仔細(xì)地對樣品進(jìn)行加熱和冷卻，使缺陷正確形成。

他們準(zhǔn)備了三種類型的樣品：一種含有天然氫（主要是氕），第二種特意注入了氘，使較重的同位素占主導(dǎo)地位，第三種富含碳-13，形成不同的碳同位素構(gòu)型。

為了清晰地觀察這些變體之間的細(xì)微差異，樣品使用液氦冷卻到低于4開爾文（-269.1°C或-452.5°F）的溫度。在如此低的溫度下，原子振動(dòng)急劇減慢，使得量子效應(yīng)更容易測量。

觀察振動(dòng)"竊取"光

樣品制備好后，研究團(tuán)隊(duì)使用光致發(fā)光光譜學(xué)和傅里葉變換紅外光譜儀來識別每種同位素變體的發(fā)射譜線。這些測量使他們能夠直接觀察缺陷內(nèi)部的振動(dòng)模式。

他們發(fā)現(xiàn)，用氘取代氫降低了碳-氫（C-H）鍵振動(dòng)的能量。這個(gè)看似微小的變化被證明至關(guān)重要。較低的振動(dòng)能量抑制了那種消耗能量而不產(chǎn)生光的有害衰變路徑。

為了測量每個(gè)T中心在發(fā)射光子前保持激發(fā)態(tài)的時(shí)間，團(tuán)隊(duì)使用了脈沖共振激光激發(fā)。通過精確調(diào)諧激光，他們可以一次瞄準(zhǔn)一種同位素變體。光子到達(dá)時(shí)間使用時(shí)間分辨單光子探測器記錄。

結(jié)果很有趣。氘化T中心的激發(fā)態(tài)壽命是普通氕版本的5.4倍。事實(shí)上，它的壽命幾乎達(dá)到了如果完全沒有非輻射衰變時(shí)所預(yù)期的數(shù)值。

此外，初步估計(jì)表明，氘化T中心的效率可能超過90%，甚至可能達(dá)到98%以上。這種巨大的差異揭示了研究人員所稱的巨大同位素效應(yīng)。它表明能量損失與局部C-H鍵的振動(dòng)密切相關(guān)。

"我們在美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的合作者馬克·圖里安斯基和約翰·萊昂斯模擬了這個(gè)衰變過程，發(fā)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的用于模擬振動(dòng)衰變的'接受模式'方法在這種情況下完全失效。"該研究的作者之一丹尼爾·希金博頓表示。

"我們展示了一個(gè)非常簡單的替代方案，只考慮C-H伸縮模式，就與實(shí)驗(yàn)吻合得很好，并重現(xiàn)了強(qiáng)烈的同位素依賴性。"希金博頓補(bǔ)充道。

一個(gè)更重的原子，一條通往量子互聯(lián)網(wǎng)的更輕便之路

較重的同位素還改善了所謂的光學(xué)循環(huán)性——即系統(tǒng)在被重置之前可以被激發(fā)并發(fā)射光的次數(shù)。
例如，研究作者估計(jì)，氘化T中心的光學(xué)循環(huán)次數(shù)大約比氕版本多300倍。這使得"電子自旋的單次讀取成為可能，并可能加快T中心的量子操作速度。"希金博頓說。

多年來，硅色心在很大程度上被忽視了，因?yàn)槿藗冋J(rèn)為與金剛石等材料中的缺陷相比，它們的效率較低。這項(xiàng)研究提供了一些迄今為止最有力的證據(jù)，證明硅可以承載高效的單光子發(fā)射器。

由于T中心自然地在電信O波段發(fā)射，它們非常適合在數(shù)十公里長的現(xiàn)有光纖上分配量子信息。

有趣的是，也參與了這項(xiàng)研究的量子技術(shù)公司Photonic Inc.已經(jīng)開始將氘化T中心納入其開發(fā)流程，這表明基礎(chǔ)研究向?qū)嵱眉夹g(shù)的轉(zhuǎn)化可以有多快。

然而，這并不意味著研究部分已經(jīng)結(jié)束。"下一步，我們將對T中心所有可能的同位素變體的基本振動(dòng)模式進(jìn)行全面研究。這些測量將使我們能夠更精確地理解色心的振動(dòng)結(jié)構(gòu)如何影響其光學(xué)特性。"卡澤米說。

該研究發(fā)表在《物理評論快報(bào)》期刊上。

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