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Telecom-band quantum memory with chlorine defects in silicon carbide

本文表明，4H-SiC 中的氯基缺陷通过展现出室温自旋相干性、光检测磁共振以及覆盖整个电信波段的零声子线发射，为芯片级量子存储器提供了一个极具前景的晶圆级扩展平台。

原作者： Georgy Astakhov, Andrei Anisimov, Kalliopi Mavridou, Ashin Mathews, Manfred Helm

发布于 2026-06-26

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原作者： Georgy Astakhov, Andrei Anisimov, Kalliopi Mavridou, Ashin Mathews, Manfred Helm

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

想象一下，互联网是一条由玻璃纤维构成的巨大、高速的公路。目前，在这条公路上行驶的“汽车”（量子信息）通常是为另一种类型的道路（可见光）而建造的。为了让它们进入光纤公路，我们通常必须建造昂贵且复杂的“翻译器”来改变它们的颜色。这篇论文介绍了一种全新的汽车，它天生就准备好在光纤公路上驰骋，而且它是直接在一种非常常见的材料中制造出来的：碳化硅（这种材料常用于坚固的陶瓷和高功率电子器件）。

以下是研究人员发现的内容，通过简单的概念进行了拆解：

1. 晶体中的“神奇缺陷”

把碳化硅晶体想象成一个由硅和碳原子组成的、组织严密的完美城市网格。研究人员特意在网格中放入了一个“不匹配”的原子：氯原子。当一个氯原子坐在网格中的一个空位旁边时，它会创造出一个微小且独特的缺陷。

论文声称，这个特定的缺陷可以充当量子存储器。它可以存储信息（就像一个“开”或“关闭”的微型开关），并且至关重要的是，它从一开始就会说光纤互联网的语言。

2. 说互联网的语言（电信波段）

我们熟知的多数量子系统（例如具有氮缺陷的金刚石）是在“可见光”（就像一只明亮的闪光灯）中大声喊叫。为了将这些信息发送到光纤电缆中，你必须使用一台机器将其转换为“红外光”（电信波段），这是长距离互联网的标准语言。

研究中的氯缺陷之所以特别，是因为它们天然地在 O波段和C波段 中“说话”。这些是能在玻璃纤维中传输得最好、信号损耗最小的特定颜色光。这就像是发现了一辆出厂时就已经配备了完全符合公路需求的轮胎的汽车，而不是在之后还需要更换轮胎。

3. “闪烁”与“自旋”

要成为一个有用的存储器，缺陷需要具备两点：

它需要高效地闪烁： 研究人员发现，当他们用激光照射这些缺陷时，它们会发出明亮的光。更棒的是，其中很大一部分光（39%）是纯粹的“信号”颜色，而不是作为噪声被散射。与已知的其他量子缺陷相比，这是一个非常高的分数。
它需要自旋： 在缺陷内部，有一个微小的磁性“自旋”（就像一个微型指南针）。研究人员展示了他们可以通过无线电波来控制这种自旋，甚至在室温下也可以做到。这就是“记忆”的部分——通过存储自旋指向的方向来保存信息。

4. “幽灵”与“真实”信号

研究人员扮演了侦探的角色，以弄清楚他们到底在观察什么。他们使用了一种特殊的氯同位素（氯-35），它拥有自己的微小“核自旋”，就像主自旋里的一个小指南针一样。

通过倾听与缺陷相互作用的无线电波，他们听到了复杂的“喋喋不ง”。这种“喋喋不休”揭示了主自旋正在与氯核进行对话。他们绘制出了这场对话的图谱，并发现这与他们关于某种特定类型氯缺陷的计算机模拟相吻合。

然而，他们也发现了一些“幽灵”信号。在某些样本中，他们看到了其他与氯不匹配的无线电波模式。他们得出结论，这些很可能是由材料中其他未知的缺陷引起的，这些缺陷恰好也在电信范围内发光。这就像是在听一个合唱团，氯是其中的主唱，但也有一些背景歌手（未识别的缺陷）在制造噪音。

5. “注意力不集中”的问题

研究人员尝试长时间保持量子信息，以观察其记忆能持续多久。他们发现，“自旋”保持相干（保持信息）的时间非常短——不到一百万分之一秒（亚微秒级）。

为什么这么短？论文认为，这并不是因为自旋本身不稳定，而是因为该缺陷在电荷方面非常“反复无常”。这就像一个灯泡在“开”和“关”之间快速闪烁（改变电荷状态）得太快。这种闪烁在记忆持续更长时间之前就杀死了信号。研究人员指出，如果他们能阻止这种闪烁，记忆可能会持续得更久。

6. 缺陷的“第二层楼”

论文还发现这些缺陷拥有一个“第二层”。当受到更强的激光功率照射时，它们会发出不同波长的短波光。研究人员认为，这来自于同一个缺陷的高能态，就像房子里的第二个房间，其亮起时的颜色不同。这增加了缺陷运作的复杂性，表明它比之前认为的更加精细。

总结

简而言之，这篇论文介绍了一种由捕获在碳化硅中的氯原子构成的全新“量子存储器”。

好消息是： 它天然地契合光纤电缆的语言，亮度高，并且可以用无线电波控制。
问题在于： 由于该缺陷在电荷方面容易产生混乱，导致信号迅速消退，目前的记忆时间较短。
结论是： 只要科学家们能够解决如何稳定其电荷以延长记忆时间的问题，它将是构建未来量子网络的一个非常有前景的候选方案。

技术摘要：碳化硅中氯缺陷的电信波段量子存储器

问题陈述
实现长距离量子网络需要具有工作在低损耗电信波段的光子接口量子存储器。虽然固态自旋量子比特（如金刚石或硅中的量子比特）提供了较长的相干时间，但其原生光学跃迁通常位于可见光谱范围内，因此需要复杂的频率转换。相反，现有的硅或碳化硅（SiC）中的电信波段发射体通常存在光子发射率低或缺乏已证实的相干自旋控制等问题。目前迫切需要一种能够本质上结合高亮度电信发射与稳健、相干自旋功能的晶圆级可扩展材料平台。

方法论
作者研究了通过标准离子注入 $^{35}$ Cl 并随后在商用晶圆中进行热退火处理得到的 4H-SiC 中氯相关缺陷。该研究采用了多方面的实验方法：

光学光谱学： 在 976 nm 激发下进行荧光光谱（PL）测量，以识别 O 波段和 C 波段中的零声子线（ZPL）和声子侧带（PSB）。利用时间分辨荧光测量激发态寿命。
光检测磁共振（ODMR）： 在零磁场和外磁场下，在室温和低温（10 K）下获取 ODMR 光谱，以识别自旋跃迁。
射频辅助光谱学： 使用可调带通滤波器将特定的 ODMR 共振与不同的 PL 发射光谱区域进行关联。
相干控制： 应用脉冲射频（RF）序列，通过拉比振荡（Rabi oscillations）和 Ramsey 干涉测量自旋弛豫（ $T_1$ ）和相干时间（ $T_2^*$ ）。
模拟： 使用 EasySpin 软件包进行自旋哈密顿量模拟，以模拟电子-核自旋相互作用并重现不同磁场下的实验 ODMR 光谱。

主要贡献与结果

电信波段发射： 研究报告了在 4H-SiC 中发射于 O 波段（1348.7 nm）和 C 波段的氯相关缺陷。这些缺陷表现出高达 39% 的德拜-华勒因子（Debye-Waller factor），显著高于金刚石中的氮空位（NV）中心或 SiC 中的本征空位，表明其具有高效的零声子发射。
激发态动力学： 时间分辨测量显示出较短的激发态寿命，为 450 ps。作者将其归因于可能源于晶格恢复不完全的非辐射通道，并指出该寿命短于理论预测的辐射复合时间。
自旋-光子接口： 研究证明这些缺陷在室温下具有自旋活性，表现出亚 GHz 范围（500–700 MHz）内的 ODMR 共振。作者通过零场分裂参数识别出一个基态自旋-光子接口，其共振特征有别于已知的 SiC 缺陷（如双空位）。
超精细结构与核自旋： 利用 ODMR 和 Ramsey 干涉，研究解析了由 $^{35}$ Cl 核自旋（ $I=3/2$ ）相互作用产生的超精细结构。超精细耦合常数确定为 $|A| = 34$ MHz。
相干自旋控制： 研究展示了对缺陷自旋的相干操控。Ramsey 纹波显示其固有非均匀自旋相干时间（ $T_2^*$ ）约为 $2 \pm 1$ $\mu$ s。然而，观察到的自旋弛豫时间（ $T_1 \approx 660$ ns）和相干性受限于 ODMR 对比度的快速猝灭，作者将其归因于电荷态亚稳态（中性态与正电荷态之间的动力学过程），而非本质的自旋-晶格弛豫。
缺陷识别： 虽然数据在定性上与带正电的氯-空位（ $ClV^+$ ）理论模型（ $S=1$ 自旋）一致，但作者指出存在差异。具体而言，磁场依赖性表明 $ClV^+$ 缺陷呈离轴配置，而此前的 PL 数据曾暗示其为轴向配置。此外，研究还识别出一组与未识别本征缺陷相关的独立共振族（ $\nu_3, \nu_4$ ），其频率在 100–400 MHz 范围内，且不同于 Cl 相关缺陷。

意义与主张
论文声称，SiC 中的氯相关缺陷代表了一个极具前景的平台，可用于在纤维光学通信窗口内运行芯片级量子存储器。该工作首次展示了这些缺陷的相干自旋控制和超精细结构解析。作者强调，电信发射、晶圆级兼容性以及已证实的自旋-光子接口相结合，解决了实现可扩展量子网络的一个关键瓶颈。

然而，作者对该技术的现状保持了谨慎的态度。他们承认，目前的自旋相干时间受限于电荷态动力学而非本质自旋特性，且精确的电子结构和光学自旋极化循环仍需进一步的理论完善。文章结论指出，尽管该系统是集成量子技术的有力竞争者，但必须解决电荷态控制、光谱稳定性以及单发射体隔离等挑战，才能充分实现其在长距离量子网络中的潜力。