半导体缺陷如何推动量子技术

在金刚石（和其他半导体材料）中，缺陷是量子传感器最好的朋友。这是因为缺陷，本质上是原子的推挤排列，有时包含具有角动量或自旋的电子，可以存储和处理信息。这种“自旋自由度”可以用于一系列目的，例如感应磁场或制造量子网络。

康奈尔工程学院应用和工程物理学教授Greg Fuchs博士07领导的研究人员在流行的半导体氮化镓中寻找这种自旋，令人惊讶的是，在两种不同的缺陷中发现了这种自旋，其中一种缺陷可以用于未来的量子应用

该小组的论文《GaN中单自旋的室温光学检测磁共振》发表在《自然材料》杂志上。主要作者是博士生罗嘉伦

缺陷是赋予宝石颜色的原因，因此，它们也被称为色心。例如，粉红钻石的色调来源于被称为氮空位中心的缺陷。然而，即使在常用的材料中，也有许多颜色中心尚未确定

“与金刚石不同，氮化镓是一种成熟的半导体。它是为宽带隙高频电子产品开发的，这是多年来的一项非常艰巨的工作，”Fuchs说。“你可以去买一片它；它可能在你的电脑充电器里，也可能在电动汽车里。但就量子缺陷的材料而言，它还没有得到太多的探索。”

为了寻找氮化镓的自旋自由度，Fuchs和Luo与Joseph p.Ripley工程教授Farhan Rana和博士生Yifei耿合作，他们之前曾与他们一起探索过这种材料

该小组使用共焦显微镜通过荧光探针识别缺陷，然后进行了一系列实验，如测量缺陷的荧光速率如何作为磁场的函数变化，以及使用小磁场驱动缺陷的自旋共振传输，所有这些都是在室温下进行的

“一开始，初步数据显示出有趣的自旋结构的迹象，但我们无法驱动自旋共振，”罗说。“事实证明，我们需要知道缺陷的对称轴，并沿着正确的方向施加磁场来探测共振；结果给我们带来了更多有待解决的问题。”

实验表明，这种材料有两种类型的缺陷，具有不同的自旋谱。在一个例子中，自旋被耦合到亚稳态激发态；另一方面，它与基态耦合

在后一种情况下，研究人员在驱动自旋跃迁时能够看到高达30%的荧光变化——这是一个对比度的巨大变化，对于室温下的量子自旋来说相对罕见

“通常，荧光和自旋结合得很弱，所以当你改变自旋投影时，荧光可能会改变0.1%或非常非常小的变化，”Fuchs说。“从技术的角度来看，这并不好，因为你想要一个大的变化，这样你就可以快速有效地测量它。”

研究人员随后进行了量子控制实验。他们发现，他们可以操纵基态自旋，并且它具有量子相干性——量子比特或量子位可以保留其信息

“这是一个非常令人兴奋的观察，”Fuchs说。“还有很多基础性的工作要做，问题比答案多得多。但在这个色心中自旋的基本发现，它具有高达30%的强烈自旋对比度，它存在于一种成熟的半导体材料中，这为我们现在兴奋地探索各种有趣的可能性开辟了道路。”