Scalable integration of silicon carbide color centers into nanophotonic structures
本文提出了一种可扩展的方法，通过使用同时用于离子注入和刻蚀的共享纳米级掩模，将氧相关色心确定性地集成到碳化硅纳米柱中，这在显著提高光子收集率的同时，保持了与体材料相当的自旋相干时间。
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在追求制造能够以当今计算机无法实现的方式处理信息的机器的过程中，科学家们正将目光投向物质最小的构建模块。他们正在寻找固体晶体内部微小的缺陷——即原子缺失或被另一种原子替换的地方——这些缺陷可以作为量子比特（qubits）发挥作用。这些缺陷可以以电子自旋的形式存储信息，表现得像微型磁铁一样，可以被翻转和读取。为了让这些系统工作，缺陷必须能够发射单粒子光，即光子，从而将信息传递到网络的其他部分。然而，一个主要的障碍在于：当这些缺陷位于固体材料深处时，它们发出的绝大部分光会被困住或散射，使得捕捉并使用这些光几乎变得不可能。为了解决这个问题，研究人员长期以来一直尝试将固体材料雕刻成微小的柱状结构，希望以此更有效地引导光线输出，但如何在不损失缺陷之精妙量子特性的情况下完成这一过程，一直是一个艰巨的挑战。
现在，一组研究人员开发出一种方法，能够可靠地将这些发光缺陷直接置于碳化硅柱内部，为开发更好的量子器件开辟了一条可扩展的路径。该团队并没有尝试在柱状结构制成后再寻找缺陷，也没有寄希望于缺陷能偶然落在正确的位置，而是使用了一个单一且精确的模板，同时用于创建缺陷并围绕该缺陷塑造柱状结构。他们首先使用一层薄薄的塑料涂覆在平整的碳化硅晶圆上。利用电子束，他们在塑料层上打出微小的孔洞。通过这些孔洞，他们将离子（氧、氮或碳的带电原子）射入下方的碳化硅中。这些离子撞击并使原子脱离原位，从而产生了形成缺陷所需的空位。至关重要的是，他们随后利用剩余的塑料和一层金属作为掩模，进行刻蚀工艺，将碳化硅雕刻成数千个微小的柱子。由于掩模中的孔洞在两个步骤中是完全一致的，因此可以确保缺陷必然形成在所创建的柱体内部。
研究人员测试了两种不同形状的柱体。第一种类型立在较厚的碳化硅块上，而第二种类型则构建在极薄的薄膜上，从而允许从顶部和底部同时收集光线。他们发现这种方法效果显著。当测量柱内缺陷发出的光时，他们观察到与平整块状材料中的缺陷相比，亮度有了剧烈的提升。对于一种被称为 PL5 的缺陷，膜状柱中的光收集效率提高了六倍；对于另一种名为 PL6 的缺陷，效率提高了近三倍。在某些个别案例中，这种提升甚至更高，PL5 缺陷的亮度提升了高达十倍。这意味着这些微小的柱子就像高效的漏斗一样，引导光线离开材料，以便进行探测和使用。
除了提高光的亮度外，团队还验证了缺陷的量子特性依然完好无损。他们测量了缺陷保持其磁信息的能力（即自旋相干时间），发现这种信息消退所需的时间与未雕刻材料中的时间一样长。这是一个关键的发现，因为它证明了雕刻柱体的过程以及用于创建缺陷的高温并未破坏脆弱的量子态。研究人员还发现，使用氧离子来创建缺陷是最有效的方法，比使用碳或氮产生的期望发光中心更多。虽然产率（即成功变为有用缺陷的比例）很高，但并非完美，其中一种类型的氧植入成功创建了约 28% 的目标中心，另一种则为 19%。
这项研究证实，该技术提供了一种在不损失性能的情况下，将量子发射器集成到纳米光子结构中的实用方法。通过使用相同的掩模来进行离子植入和柱体刻蚀，研究人员消除了通常使此类工作难以规模化的复杂对准步骤。结果表明，该方法适用于不同类型的缺陷，并且未来可以应用于其他材料。团队测量了这些新器件对磁场的敏感度，发现改进后的光收集能力使其对磁场的敏感度比相同缺陷在块体材料中高出三倍。这一进展表明，构建更大规模的量子传感器阵列存在一条清晰的路径，这些传感器最终可用于高精度测量或作为未来量子网络中的节点。这项工作证明，制造这些微型量子器件时，可以具备现代电子工业所需的精度和重复性，使可扩展量子技术的梦想离现实又近了一步。
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