Engineering of Dual Wavelength, Polarization Selective Metalenses in Silicon Carbide

量子技术往往让人觉得像是遥远的未来，但其构建模块已经在我们周围的固体材料中初具雏形。这一新兴领域的核心是晶体内部微小的缺陷。想象一下，一颗完美的钻石或一块碳化硅就像一座由原子组成的宏大、有序的城市。偶尔，会有一个原子缺失，或者另一种类型的原子移动到了错误的位置。这些缺失或错位的点就是缺陷。虽然它们听起来像是瑕疵，但在量子物理世界中，它们实际上是强大的工具。这些缺陷可以将电子捕获在特定的状态中，这些状态就像微型磁铁一样，能够长时间保存信息。它们还可以被激发发出光芒，而这种光的颜色取决于缺陷的具体类型。科学家们渴望利用这些发光的缺陷来构建量子计算机和传感器，但面临着一个重大障碍：承载它们的材料通常原子密度极高，导致它们发出的光会被困在内部，在其中不断反弹直至消散。为了使这些量子设备变得有用，研究人员必须找到一种方法将这些被困的光拉出来，并将其精确地引导到需要的地方。

现在，一个研究团队开发出了一种直接集成到材料本身的解决方案，创建了一个紧凑的光学接口，能够同时捕捉并引导两种不同类型量子缺陷的光。该团队利用碳化硅（一种广泛应用于从功率电子到量子研究等领域的坚硬、耐用的晶体）设计并制造了一个特殊的表面，称为超构透镜（metalens）。与厚且弯曲的传统玻璃透镜不同，超构透镜是直接蚀刻在材料表面上的扁平微观图案。这种新设备之所以独特，是因为它是单体式的，这意味着它是从与它试图捕捉的缺陷相同的碳化硅块中雕刻出来的，而不是粘在上面的独立部件。研究人员设计了这个表面，使其能与两种非常特定的光色协同工作：一种在860纳米，另一种在1240纳米。这些颜色对应于两种不同量子缺陷的发光，即硅空位和氮空位，它们是量子通信极具前景的候选对象。

团队面临的挑战不仅是收集光，还要在收集的同时根据光波的取向（一种称为偏振的属性）对光进行分类。光波可以在不同的方向上振动，而为了正确读取量子信息，这些方向必须得到控制。研究人员设计了他们的超构透镜，使其对水平振动的光和垂直振动的光进行不同的处理。当光击中表面时，构成超构透镜图案的微小柱体以特定的方式弯曲波。对于860纳米的光，透镜将水平振动的波导向一个位置，将垂直振动的波导向另一个稍有不同的位置。它对1240纳米的光也进行同样的操作，但采用了不同的柱体模式。这使得该设备可以充当交通控制器，在不需要笨重外部设备的情况下分离由光携带的不同类型的信息。

为了测试他们的创造物，团队首先使用强大的计算机模型模拟了光的行为。这些模拟表明，该设计确实可以分离不同的偏振并有效地聚焦光线。随后，他们转入实验室制造该设备。使用一种类似于印刷电路板但精度更高的工艺，他们利用电子束在碳化硅块上绘制出微小柱体的图案。然后，他们蚀刻掉部分材料，留下了一片微观柱体森林，每根柱子高约1.6微米。最终的设备看起来像是一个被分为两部分的扁平正方形，其中一部分针对较短波长进行了优化，另一部分针对较长波长进行了优化。当他们在显微镜下观察成品时，柱体均匀且光滑，证实了制造过程成功创建了所需的复杂结构。

真正的考验在于将量子缺陷引入碳化硅中。他们使用氮离子束将原子植入晶体，从而产生形成缺陷所需的空位。一旦缺陷就位，他们通过在晶体背面照射激光使缺陷发光。光穿过晶体并击中前端的超构透镜。该设备成功收集了光，并将其聚焦成不同的点，证明了它能够将光子从致密的晶体中拉出并引导至自由空间。研究人员测量了有多少光通过，发现超构透镜捕获了大约一半的可用光。虽然这低于完美透镜所能达到的水平，但相比于完全没有透镜（在这种情况下，由于高密度，大部分光会被困在晶体内部）的情况，这是一个显著的进步。

除了单纯的收集光，团队还展示了该设备可以用于读取缺陷的量子态。他们将样品置于磁场中，并通过调节磁场来测量光强度的变化。这种被称为光学检测磁共振的技术，让科学家能够观察缺陷内部电子的自旋状态。超构透镜成功收集了来自硅空位和氮空位缺陷的信号，在数据中显示出与这些量子系统预期相匹配的清晰峰值。该设备能够区分两种不同颜色的光并处理各自的偏振，这意味着它有潜力同时读取多个量子比特。这种能力是构建可扩展量子网络的重要一步，在这些网络中，许多量子设备需要通过单个紧凑的接口进行通信。

这项工作确立了直接在承载量子源的材料本身中雕刻复杂、多功能光学工具的可能性。通过在两个不同的波长下运行并管理偏振，该超构透镜为简化量子技术所需的光学系统提供了一种方法。与其为每种不同类型的缺陷准备单独的透镜和滤光器，不如使用单一的扁平表面来完成这项工作。研究人员展示了这种方法不仅在理论或模拟中可行，而且在能够收集光并读取量子态的真实制造设备中也是有效的。这种将光学接口与量子源集成的做法，预示着一种创建更小、更高效的量子设备的发展路径，这些设备最终可用于从超安全通信网络到高度敏感的磁传感器等各个领域。