导读

4H-碳化硅（4H-SiC）作为一种新兴的量子材料，因其长寿命、可光调谐的色心以及与CMOS工艺兼容的特性，成为量子信息处理领域的理想平台。特别是4H-碳化硅-绝缘体（4H-SiCOI）平台，能够支持高质量的单光子源和自旋缺陷，为量子网络和量子传感提供关键支持。色心中的电子自旋和核自旋可作为量子比特，用于存储和处理量子信息，而与光子结构的集成则进一步推动了量子光子芯片的发展。

哈尔滨工业大学（深圳）宋清海/周宇教授联合中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员团队在4H-SiCOI平台上实现了可调谐的腔-自旋耦合，成功制备并操控了双空位（divacancy）自旋缺陷，展示了高效的电子自旋和核自旋相干控制。团队进一步将这些自旋缺陷集成到微环谐振器中，实验验证了其光学和自旋性能的稳定性，Purcell factor 达到5.0, 显著提升了光-物质相互作用。这一成果为基于4H-SiC的量子光子集成电路开辟了新路径。

研究亮点

1、可调谐微环腔与PL4自旋缺陷的单片集成：

该研究成功地在薄膜4H-碳化硅绝缘体（4H-SiCOI）平台上，首次实现了PL4双空位自旋缺陷与可调谐微环光学腔的单片集成。研究团队优化了材料制备流程，采用机械研磨、化学机械抛光和干法刻蚀技术，将碳化硅层精确减薄至目标厚度（200纳米），并通过碳离子注入及退火工艺在薄膜中引入PL4自旋缺陷。利用电子束光刻（EBL）和感应耦合等离子体（ICP）干法刻蚀技术，制备了直径可调（7.3至8.9微米）的微环腔结构，确保了缺陷与腔体的精准共定位。

图1:基于4H-SiCOI平台的PL4双空位自旋集成式微环腔

2、氮气冷凝实现腔模连续调谐与Purcell效应增强：

研究创新性地采用向低温恒温器注入氮气的方法，利用气体冷凝引起的局部折射率变化，实现了微环腔光学模式的连续、可逆波长调谐。通过精细控制这一过程，成功将微环腔的共振模式与PL4缺陷的零声子线（ZPL）精确对准。在共振条件下，观测到ZPL发射强度显著增强了36倍，同时ZPL的荧光寿命从非共振时的约15.85纳秒缩短至约13.64纳秒。基于寿命变化和ZPL分支比（Debye-Waller因子），计算出Purcell因子提升约5倍，这清晰地证实了腔对缺陷发射速率的有效增强，并将相干光子高效地限制在耦合波导中输出。

图2:氮气冷凝连续调节腔模式与PL4色心的耦合

3、腔耦合对自旋探测与操控性能的提升：

研究系统性地评估了微环腔耦合对PL4自旋缺陷量子光学性能的提升效果。关键发现是，当通过腔耦合的波导输出收集处于共振条件下的光信号时，光学探测磁共振（ODMR）的对比度相比非共振条件或直接共聚焦探测提升了一倍（从~3.2%提升至~6.2%）。这一显著的提升主要归因于腔的滤波效应和Purcell增强共同作用，有效提高了所收集光子中来自ZPL（即与自旋态直接关联）的比例。此外，研究成功演示了在腔集成环境下对PL4自旋的相干操控，观测到了清晰的拉比振荡，验证了该集成平台支持量子操控的能力。尽管微环腔的品质因子（Q~1200）受限于刻蚀工艺导致的侧壁粗糙度，但这项工作充分展示了SiCOI平台在实现高效自旋-光子接口和可扩展量子光子电路方面的巨大潜力。

总结与展望

团队在4H-SiCOI平台上实现了双空位自旋的精确定位与操控，通过微环谐振器实现了可调谐的腔-自旋耦合，显著提升了光-物质相互作用效率。与体材料相比，4H-SiCOI平台的集成优势在于其支持高精度自旋操控和光子结构集成，能够通过腔增强提高纠缠生成速率，并在量子传感中实现多节点、高灵敏度探测。这一工作为自旋-光子纠缠生成、多节点量子网络及远程纠缠的实现提供了新思路。

该论文以“Tunable Cavity Coupling to Spin Defects in a
4H-Silicon-Carbide-On-Insulator Platform”为题，发表在《ACS Photonics》上，并被遴选为封面。哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生包桐源、罗祺，中国科学院上海微系统与信息技术研究所伊艾伦副研究员为共同第一作者，哈尔滨工业大学（深圳）宋清海、周宇教授和中国科学院上海微系统与信息技术研究所欧欣研究员为共同通讯作者。研究工作得到国家自然科学基金，国家重点研发计划、广东省量子科学战略专项、深圳市重点等基金的支持。

来源：两江科技评论

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