日本研發出量子存儲器的關鍵部件——金剛石量子發光體

日本東京工業大學工學院電氣電子系助教岩崎孝之和教授波多野睦子，與日本產業技術綜合研究所功能材料計算設計研究中心研發小組組長宮本良之、日本物質材料研究機構研發小組組長谷口尚，以及德國烏爾姆大學的教授 Fedor Jelezko 等人組成聯合研發小組，將錫（Sn）注入金剛石中，然後在高溫高壓下進行加熱處理，成功製備了由錫和空位（V）構成的新型發光源（色心）。

研究人員採用離子注入法將錫注入金剛石中，然後把金剛石置於高溫高壓環境下，錫與空位結合形成了 「錫-空位（SnV）」 色心。通過理論計算和低溫測量證實，SnV 色心有望解決至今已存在的有關色心的所有課題。今後，在對自旋相干時間進行充分驗證後，SnV 有望應用於長距離量子網路通信所需的量子存儲器。

＜研究成果＞

基態分裂是決定自旋相干時間的重要物理量，為實現足夠長的自旋相干時間，本次研究嘗試了新方法，即在金剛石內製作基態分裂的較大的新色心。研究人員採用重元素錫取代以前使用的硅和鍺（Ge），將其注入金剛石中，並在高溫高壓狀態（7.7GPa＝吉帕斯卡，2100℃）下進行加熱處理，由此，錫與空位結合形成了 「錫-空位（SnV）」 色心。

通過基於量子力學基本原理的第一原理計算證實，注入金剛石中的大型錫原子進入晶格間隙，形成了被2個空位夾在中間的結構。這種原子配置不容易受電場等外部干擾的影響，能獲得穩定的發光波長。研究人員通過實驗發現，室溫下SnV 色心在619納米（nm）波長處出現敏銳的零聲子線發光。此外，實驗還成功地使 SnV 色心作為單一發光源進行工作，並且確認其發光強度高於以往的色心（NV、SiV）。

研究人員在冷卻狀態下測量發現，SnV色心零聲子線分裂為4條，基態分裂比SiV 和 GeV 色心大，約為850GHz。由於這個基態分裂遠遠大於 SiV 的 48GHz，因此還能大幅降低晶格振動的影響，而晶格振動會造成存儲時間縮短。由此預測，在2K左右的溫度下能實現足夠長的自旋相干時間（毫秒）。SnV 也無需使用SiV不可或缺的稀釋制冷機，有望作為量子網路中的量子存儲器使用，這一發現對確立擁有較長自旋相干時間的光-物質量子介面，可能會是重大突破。

＜參考圖＞

圖1：金剛石中的SnV色心

左：IV族元素周期表。

中間：經過高溫高壓加熱處理後的SnV色心的發光光譜。

右：SnV色心的原子級結構。紅球和黑球分別為錫原子和碳原子。

圖2：SnV色心的詳細結構及能量分裂寬度

基態通過自旋‐軌道耦合作用進行分裂。越是大型元素，自旋‐軌道耦合作用越大，因此分裂寬度也會變大。

客觀日本編輯部

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