碳化硅中单个氮空位中心室温光学性质的实验研究 *
1. 概述
具有电信波长发射的固态系统中稳健的单自旋色中心对量子光子和量子网络至关重要。碳化硅（SiC）中的氮空位（NV）中心已成为这些应用的有前景的平台。然而，人们对氮空位中心的详细光学特性知之甚少。本工作研究了4H-SiC中单个氮空位中心的光物理。结果表明，氮空位中心包括三个能级电子结构。特别是，对于c轴氮空位中心而言，激发和发射偏振度都大于90%。单个氮空位中心的光子纯度和光稳定性在高达400K的高温下能够保持不变。这些实验构成了SiC氮空位中心在量子光子学方面应用的重要一步。
2. 样品制备
本实验采用的样品是来自我司的4H-SiC外延片。使用电子束光刻在样品表面200 nm厚的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）层中制备一些距离为2μm的纳米针孔阵列。为了有效地产生氮空位中心，使用2.5×1011cm−2的30keV氮离子进行植入。然后，样品在1050°C（1小时）下进行退火，以有效地生成氮空位中心。
氮空位中心光学特性的所有表征都在自制的共焦扫描系统中进行。通过油物镜（1.3NA）将连续波980nm激光聚焦在样品上。超导单光子探测器（Scontel）用于探测氮空位中心红外荧光（1150nm以上）。二阶相关测量是在Hanbury-Brown和Twiss（HBT）干涉仪中进行的。对于偏振测量，将偏振器和半波片放置在共焦系统的激发和发射光路中。使用800nm飞秒脉冲（76MHz）激光器来研究氮空位中心寿命。
图1 c轴NV-15的激发和发射偏振测量（左）；用0.1秒的仓计数NV-1的踪迹300秒（右）
3. 结论
本工作研究了室温下4H-SiC中单个氮空位中心的实验光学性质。结果表明，单个氮空位中心具有两种不同的光学性质，都遵循三能级模型。这两种类型的氮空位中心具有不同的极化特性。值得注意的是，c轴氮空位中心具有超过90%的偏振度。
本实验证明了单个氮空位中心可以在高达400K左右的高温下保持其单光子纯度和光稳定性。SiC中氮空位中心的稳健、良好的偏振特性为量子光子学和量子信息处理的应用铺平了道路。
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