來源:東京科技
鑽石的顏色來自於缺陷或“空位”，即晶格中缺少一個碳原子。電子學研究人員一直對空缺感興趣，因為它們可以作為“量子節點”或點，構成一個量子網路，用於資料傳輸。將缺陷植入鑽石的方法之一是將其他元素植入鑽石，如氮、矽或錫。在ACS Photonics最近發表的一項研究中，來自日本的科學家證明了金剛石中的鉛空位中心具有作為量子節點的正確屬性。“使用像鉛這樣重的IV族原子是在高溫下實現優越自旋特性的一種簡單策略，但之前的研究在準確確定鉛空位中心的光學特性方面並不一致，”領導這項研究的東京工業大學(Tokyo Tech)副教授Takayuki Iwasaki說。
研究人員在潛在的量子節點中尋找的三個關鍵屬性是對稱性、自旋相干時間和零聲子線(ZPLs)，即不影響“聲子”(晶格振動的量子)的電子躍遷線。對稱性提供瞭如何控制自旋(像電子這樣的亞原子粒子的旋轉速度)的見解，相干性指的是兩個粒子的波動性質的相同，ZPLs描述晶體的光學質量。
研究人員在金剛石中製備了鉛空位，然後對晶體進行高壓和高溫處理。然後，他們利用光致發光光譜技術研究了鉛的空位，這是一種可以讀取光學性質並估計自旋性質的技術。他們發現，鉛空位具有一種二面體對稱，這適合於構建量子網路。他們還發現，該系統顯示出很大的“基態分裂”，這一特性有助於系統的相干性。最後，他們發現對晶體施加的高壓高溫處理可以恢復注入過程中對晶格造成的損傷，從而抑制ZPLs的不均勻分佈。一個簡單的計算表明，鉛空位在更高的溫度(9K)下比先前的矽和錫空位系統具有更長的自旋相干時間。
“我們在研究中提出的模擬似乎表明，鉛空位中心將很可能成為建立量子光物質介面的重要系統——這是量子網路應用的關鍵元素之一，”樂觀的Iwasaki博士總結道。
本研究為將來開發具有可靠效能的大(缺陷)金剛石晶片和薄(缺陷)金剛石薄膜奠定了基礎。
更多資訊:王鵬等，高溫高壓處理金剛石中鉛空位中心的低溫光譜研究， ACS光子學（2021). DOI: 10.1021 / acsphotonics.1c00840
