江蘇鐳射聯盟導讀：
Nature Electronics最新研究，論證了金剛石中不同NV缺陷之間的電荷傳輸的光學啟用和檢測。
最近，Nature Electronics雜誌上發表了一篇論文，論證了金剛石中不同NV缺陷之間的電荷傳輸的光學啟用和檢測。研究人員是來自CUNY、Sandia National Laboratories、Flatiron Institute和ANU的聯合研究人員。他們對氮空位(NV)中心——著名的鑽石色彩中心——進行了研究。
研究人員實驗圖。來源：Lozovoi 等人。
“幾年前，我們有一個粗略的想法，即，我們知道NV中心可以自旋偏光，我們也知道它們的電荷狀態可以透過光脈衝控制。”進行這項研究的研究人員之一Carlos A. Meriles說，“因此，我們設想，這兩種成分可以結合在一起，注入金剛石中的自旋極化載流子。事實證明，金剛石是一種近乎理想的自旋電子學應用材料，但迄今為止，由於自旋注入的困難，這一材料尚未得到開發。”
色心是晶體固體中的原子缺陷，它能吸收特定顏色或輻射的可見光。這些缺陷，通常以缺少原子或替代雜質的形式出現，可以在一般透明的材料中產生特有的顏色。
對半導體中顏色中心如何捕獲載流子的理解可以促進新型感測和量子器件的發展。然而，研究色中心的實驗往往需要大量缺陷的集合，這些缺陷的相互接近和不受控制的相互作用可能會對觀測產生意想不到的影響。
(a) NV中心和NS中心的圖，描述了碳原子(黑色)和氮原子(藍色)和空位(透明)。(b) NV (a1, ex, ey)和NS中心缺陷能級的電子能帶結構圖。指出了金剛石間接帶隙和缺陷光電離能。(c) NV−中心的電子結構描述了電子能級(括號中有相應的電子構型)和精細結構狀態(用電子自旋投影表示)。給出了三態能級的可見零聲子線能和零場精細結構的分裂。實箭頭表示光學或自旋躍遷，而虛線箭頭表示導致光學自旋極化和讀數的自旋選擇性非輻射ISCs。
Meriles和Marcus Doherty討論了這個想法，他們開始用一種不同的方式思考電荷載體。更具體地說，他們開始認為它們是一輛“巴士”，可以在顏色中心之間連貫地傳輸量子資訊。
2016年，Meriles、Doherty和其他研究人員發表了一篇理論論文，將這一想法正式化。隨後，他們進行了一系列的研究，目的是在實驗環境中實現它。他們最近的研究使這些想法離現實更近了一步。
“由於鑽石是一種透明材料(也就是說，它不吸收可見光)，人們可以把NV中心(和其他‘顏色中心’)看作是被困在由周圍固體創造的某種‘惰性’環境中的虛擬原子。” Meriles說，“因此，系統能量是量子化的，人們可以使用光在不同的能級之間激發它。”
如果研究人員用足夠強的鐳射激發鑽石或其他透明材料，第二個光子可以在先前激發的NV中心有時間放鬆之前到達。這個過程可以使NV發射一個電子，如果它最初有一個多餘的負電荷，或者一個空穴，如果它最初處於中性狀態。
在他們的實驗中，該團隊成功地在室溫下誘導了這一過程，使用了兩種技術，即共聚焦熒光顯微鏡和磁共振。共聚焦熒光顯微鏡是一種顯微成像技術，科學家可以用高三維光學解析度觀察樣品，而磁共振是一種著名的成像方法，需要將樣品暴露在磁場中。
(a)一個簡單的運輸結構，由兩個表面電極(深藍色)組成的大塊鑽石(灰色)。(b)透過底材(棕色)頂部的奈米線(灰色)與端電極(深藍色)傳輸的示例架構。在(a)和(b)中，電離和捕獲中心被描繪成紅色球體，初始和最終電子機率密度被描繪成橙色。所有其他標籤如文字所述。(c)陰影區域定義了納米線尺寸l和應用電場E，其中捕獲中心的電子機率密度為所需的>50 μm−3，以產生<100 ns的捕獲時間。
“如果一個是使用典型的文學價值計算的機率捕獲電荷載體從一個原子源幾微米,會發現一個堪比彩票中獎機率。”Lozovoi是該研究的第一作者，他說，“所以，觀察這一過程本身就非常令人驚訝。”
未來，該團隊提出的啟用和檢測NV中心間電荷傳輸的策略，可能會為更多關注顏色中心及其如何捕獲載流子的研究鋪平道路。此外，該團隊計劃進行進一步的實驗，目的是在不同的溫度下實施和檢查相同的策略。
(a)由金剛石奈米線(白色)在襯底(棕色)上構建的自旋量子匯流排網路的兩個節點示意圖。自旋團簇A和B(紅色)位於節點，包含邏輯(NV中心的N核自旋或13C同位素雜質)、NV和14NS自旋。鄰近的NS中心集合(綠色)為叢集中的14NS中心充電，位於節點旁邊的隔間中。表面電極(藍色)用於控制簇間的電子傳輸和充電過程。在每個節點上，四個電極以四重結構排列，以幫助捕獲在節點上的傳輸電子。磁場(B場)定義了自旋量子化軸，並與NV中心的(假設相同)軸對齊。為清楚起見，圖中沒有包括光學、微波和磁控制結構。(b)在簇A和簇b的邏輯量子位之間產生糾纏的提議協議。
Lozovoi補充說:“雖然這些實驗是在環境條件下進行的，但我們現在正在調整我們的設定，以便我們可以在低溫下工作，我們認為，我們可能會看到不同的情況(載流子‘彈道’傳播，而不是‘擴散’)。如果是這樣，我們可能會找到機會，更有效地引導載體從一種NV轉移到另一種NV(逐漸從‘機率’轉移到‘確定性’轉移)。在我們接下來的研究中，我們還打算更好地理解在這些溫度下的自旋相關過程，以及外部磁場的影響。”
參考文獻：Optical activation and detection of charge transport betweenindividual colour centres in diamond. Nature Electronics(2021). DOI: 10.1038/s41928-021-00656-z，www.nature.com/articles/s41928-021-00656-z
M. W. Doherty et al, Towards aRoom-Temperature Spin Quantum Bus in Diamond via Electron Photoionization, Transport,and Capture, Physical Review X (2016). DOI:10.1103/PhysRevX.6.041035
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