北京
通過調整原子振動，研究人員將硅的T中心轉變為近乎完美的單光子發射器。
在量子物理的奇妙世界中，即使是最微小的調整也能帶來巨大的回報。
在一項新研究中，科學家們表明，只需將硅內的一種氫原子替換成稍重的版本，就能顯著提高其產生單光子的能力。
這聽起來可能像是一個微小的化學調整，但它可能對量子計算機和超安全通信網絡產生重大影響。
研究作者指出："高效的單光子發射器對于量子技術，包括量子網絡和光子量子計算機，是非常理想的。"
這項研究挑戰了長期以來的觀點，即硅是量子光源的低效宿主。相反，它表明，已經成為現代電子學基礎的硅，也可能為未來的量子互聯網提供動力。
創造完美的缺陷
這一發現的核心是硅中一個微小的不完美點，即T中心。色心是晶格中的一個小缺陷——在這種情況下，是指嵌入硅中的兩個碳原子和一個氫原子。
當被激發時，這個缺陷可以發射出一個單光子，這正是量子技術所需要的。T中心特別有吸引力，因為它發出的光波長與光纖互聯網電纜使用的波段（電信O波段）相同。
這意味著它可以直接連接到當今的通信基礎設施。然而，一直存在一個問題：T中心有時會在不發光的情況下損失能量。它沒有釋放光子，而是以振動的方式耗散能量——這個過程被稱為非輻射衰變。
科學家們知道這種情況會發生，但他們不明白原因，也不知道如何阻止它。研究人員決定尋找答案。他們的研究從同位素入手。
"T中心由硅晶格中的兩個碳原子和一個氫原子組成，可以產生不同的同位素形式。例如，氫可以是常見的、較輕的同位素（氕），也可以是較稀有、較重的同位素（氘）。"主要研究人員之一莫因·卡澤米表示。
由于氘更重，它改變了原子在晶體內的振動方式。為了仔細研究這種效應，研究作者首先需要極高純度的硅。
他們在德國的合作伙伴生長了高純度硅晶體，這些晶體最初是為阿伏伽德羅項目開發的，該項目旨在使用近乎完美的硅球體重新定義千克。這些超潔凈的樣品是研究精細量子特性的理想材料。
然后，研究人員通過用高能粒子照射硅來創建T中心。照射后，他們仔細地對樣品進行加熱和冷卻，使缺陷正確形成。
他們準備了三種類型的樣品：一種含有天然氫（主要是氕），第二種特意注入了氘，使較重的同位素占主導地位，第三種富含碳-13，形成不同的碳同位素構型。
為了清晰地觀察這些變體之間的細微差異，樣品使用液氦冷卻到低于4開爾文（-269.1°C或-452.5°F）的溫度。在如此低的溫度下，原子振動急劇減慢，使得量子效應更容易測量。
觀察振動"竊取"光
樣品制備好后，研究團隊使用光致發光光譜學和傅里葉變換紅外光譜儀來識別每種同位素變體的發射譜線。這些測量使他們能夠直接觀察缺陷內部的振動模式。
他們發現，用氘取代氫降低了碳-氫（C-H）鍵振動的能量。這個看似微小的變化被證明至關重要。較低的振動能量抑制了那種消耗能量而不產生光的有害衰變路徑。
為了測量每個T中心在發射光子前保持激發態的時間，團隊使用了脈沖共振激光激發。通過精確調諧激光，他們可以一次瞄準一種同位素變體。光子到達時間使用時間分辨單光子探測器記錄。
結果很有趣。氘化T中心的激發態壽命是普通氕版本的5.4倍。事實上，它的壽命幾乎達到了如果完全沒有非輻射衰變時所預期的數值。
此外，初步估計表明，氘化T中心的效率可能超過90%，甚至可能達到98%以上。這種巨大的差異揭示了研究人員所稱的巨大同位素效應。它表明能量損失與局部C-H鍵的振動密切相關。
"我們在美國海軍研究實驗室的合作者馬克·圖里安斯基和約翰·萊昂斯模擬了這個衰變過程，發現標準的用于模擬振動衰變的'接受模式'方法在這種情況下完全失效。"該研究的作者之一丹尼爾·希金博頓表示。
"我們展示了一個非常簡單的替代方案，只考慮C-H伸縮模式，就與實驗吻合得很好，并重現了強烈的同位素依賴性。"希金博頓補充道。
一個更重的原子，一條通往量子互聯網的更輕便之路
較重的同位素還改善了所謂的光學循環性——即系統在被重置之前可以被激發并發射光的次數。
例如，研究作者估計，氘化T中心的光學循環次數大約比氕版本多300倍。這使得"電子自旋的單次讀取成為可能，并可能加快T中心的量子操作速度。"希金博頓說。
多年來，硅色心在很大程度上被忽視了，因為人們認為與金剛石等材料中的缺陷相比，它們的效率較低。這項研究提供了一些迄今為止最有力的證據，證明硅可以承載高效的單光子發射器。
由于T中心自然地在電信O波段發射，它們非常適合在數十公里長的現有光纖上分配量子信息。
有趣的是，也參與了這項研究的量子技術公司Photonic Inc.已經開始將氘化T中心納入其開發流程，這表明基礎研究向實用技術的轉化可以有多快。
然而，這并不意味著研究部分已經結束。"下一步，我們將對T中心所有可能的同位素變體的基本振動模式進行全面研究。這些測量將使我們能夠更精確地理解色心的振動結構如何影響其光學特性。"卡澤米說。
該研究發表在《物理評論快報》期刊上。
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