Nanophotonics | 絕緣體上碳化硅中的自旋-光子界面：挑戰(zhàn)與機(jī)遇

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引言
碳化硅（SiC）已成為利用單光子進(jìn)行量子信息傳輸?shù)挠星巴酒脚_。這種材料具有長自旋相干性量子比特、優(yōu)異的電子和光學(xué)特性以及CMOS兼容性。本文將探討絕緣體上SiC（SiCOI）中自旋-光子界面（SPIs）的關(guān)鍵組成部分，并討論該領(lǐng)域的挑戰(zhàn)和機(jī)遇[1]。


; P8 W( d% S( ]+ A0 fSiC中的色心
0 L& ]0 |' n9 W. _( w; L0 b6 M色心是SiC晶體結(jié)構(gòu)中可作為單光子發(fā)射器和自旋量子比特宿主的缺陷。研究人員已經(jīng)研究了SiC中幾種類型的色心，每種都具有獨(dú)特的特性：
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1. 硅空位（V?Si）
/ A; c, I5 @9 S7 E8 k+ E% N8 T負(fù)電荷硅空位是SiC中研究最多的色心之一�？梢酝ㄟ^使用各種輻照技術(shù)從SiC晶格中移除一個硅原子來創(chuàng)建。V?Si中心具有3/2的自旋，并表現(xiàn)出近紅外光子發(fā)射。

  L3 O5 ^/ I+ s# C+ e* U/ N2. 雙空位（VSiV0C）
3 q+ c* ~: K) h0 M$ _2 ^2 _" _- Y/ F中性雙空位由一個缺失的硅原子與相鄰的缺失碳原子組成。在晶格中有四種不同的構(gòu)型，導(dǎo)致1078 nm至1132 nm之間的不同零聲子線（ZPLs）。

3. 氮空位（NCV?Si）
氮空位中心是通過在硅空位附近植入氮原子形成的。發(fā)射波長范圍為1180 nm至1240 nm的光子，自旋為1。
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! R- k) z1 d$ P1 j  F4. 釩和鉺缺陷
釩（V4+）和鉺（Er3+）缺陷研究較少，但具有有趣的特性。V4+在1300 nm左右的電信波段發(fā)射，而Er3+在1540 nm發(fā)射。

( e  c1 I6 ~  O# K0 I5 c圖1：SiC中色心制造、缺陷晶格和自旋讀出技術(shù)的示意圖。
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制造方法
用于在SiC中創(chuàng)建色心的各種技術(shù)包括：
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離子注入：這種方法可以控制色心的深度和橫向位置。

電子輻照：對材料損傷較小，適合創(chuàng)建本征缺陷。

激光寫入：提供精確的深度控制，可能對材料造成較小損傷。

聚焦離子束（FIB）：允許高精度地在近表面創(chuàng)建色心。
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SiCOI平臺
2 V2 l, s) b6 ]( K! y; B  b絕緣體上SiC平臺為集成量子光電子技術(shù)提供了幾個優(yōu)勢：

低損耗波導(dǎo)

高品質(zhì)因數(shù)光學(xué)腔

CMOS兼容性

可擴(kuò)展性
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% f2 H6 ?' C8 F, R& S. ^- L/ l3 ?圖2：SiCOI形成的三種主要方法。
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. b% o' @2 Q2 a- F; _集成光電子組件
在SiCOI平臺上已經(jīng)展示了幾種光電子組件：
6 n* U0 A) k7 T8 f1. 定向耦合器：更復(fù)雜器件（如馬赫-曾德干涉儀和環(huán)形諧振器）的基本構(gòu)建模塊。

. [$ J) b+ j4 ~0 K$ P0 k( S圖3：4H-SiCOI上定向耦合器的模擬模式剖面和光場分布。

2. 波導(dǎo)：實(shí)現(xiàn)芯片上光信號的高效傳輸。
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6 Y9 i$ f5 L# P! V* f圖4：在4H-SiCOI上制造的高限制SiC波導(dǎo)的顯微圖。
7 i/ m  i) y. Q. J. e$ X0 E
3. 環(huán)形諧振器：用于各種應(yīng)用，包括非線性光學(xué)和量子光生成。

圖5：在3C-SiCOI（左）和a-SiCOI（右）平臺上制造的環(huán)形諧振器的掃描電子顯微鏡圖像。
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- o' o0 L- F3 O* L* z  ]+ \4. 光子晶體腔：提供超高品質(zhì)因數(shù)，增強(qiáng)光物質(zhì)相互作用。
( Y& ?8 L1 ]" V; O+ d% @
% t* P' F5 x% u圖6：在4H-SiCOI上制造的超高Q光子晶體納米腔結(jié)構(gòu)。
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挑戰(zhàn)和機(jī)遇
1. 光譜穩(wěn)定性
2 u: g9 O0 i) p8 R' q; T5 s3 _9 u在量子應(yīng)用中使用色心的主要挑戰(zhàn)之一是光譜擴(kuò)散，可能會使發(fā)射線變寬并降低相干性。硅空位（V?Si）在與光電子器件耦合時仍能保持窄光譜線寬，顯示出巨大的潛力。

6 B4 s# V% Y6 D7 p% N/ |/ `2 ~2. 自旋相干性
提高自旋相干時間對量子信息處理非常重要。動態(tài)解耦和同位素純化等技術(shù)可以幫助延長相干時間。

3. 不可分辨光子生成
生成不可分辨光子對量子干涉和糾纏非常重要。最近從SiC中的硅空位展示的不可分辨光子發(fā)射為未來應(yīng)用帶來了希望。

- {9 r' s1 r5 b: W& J4. 與光電子線路集成
$ z) X( f! U' \' p" k在保持量子特性的同時將色心耦合到光電子結(jié)構(gòu)是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。最近在制造嵌入色心的SiCOI波導(dǎo)和腔的進(jìn)展顯示出克服這一障礙的希望。


& y" D" f$ d* O: }! n/ z圖7為非線性光學(xué)過程設(shè)計(jì)的4H-SiCOI（左）和3C-SiCOI（右）上環(huán)形諧振器的掃描電子顯微鏡圖像。
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1 L# X' E" f& u; }( b- G5. 芯片上量子操作
& `# `/ A: h5 P4 ~, @6 r5 [在芯片上展示多量子比特控制和光子介導(dǎo)的糾纏仍然是一個挑戰(zhàn)。然而，在創(chuàng)建高質(zhì)量光電子結(jié)構(gòu)和改善色心特性方面的進(jìn)展使這個目標(biāo)越來越接近。

6. 非線性光學(xué)
SiC的強(qiáng)光學(xué)非線性使各種非線性光學(xué)過程成為可能，如頻率轉(zhuǎn)換和梳狀譜生成，這些對量子信息處理非常有用。

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- n# M+ c7 B; g$ `圖8：為光學(xué)參量振蕩和寬帶梳狀譜生成設(shè)計(jì)的4H-SiCOI上環(huán)形諧振器的掃描電子顯微鏡圖像。

7. 電光控制
# \5 a5 s5 S; p  _電氣控制色心和光電子器件的能力對可擴(kuò)展量子技術(shù)非常重要。最近在SiCOI中展示的集成波克爾斯調(diào)制器顯示出實(shí)現(xiàn)這種控制的希望。
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- N- X  t6 i+ ~; q3 ?圖9：在3C-SiCOI平臺上制造的集成波克爾斯調(diào)制器概覽。

. D! [+ b1 j5 K6 [4 N未來展望
SiCOI中的自旋-光子界面領(lǐng)域正在迅速發(fā)展，未來有幾個可期待的前景：

芯片上單光子探測器：將超導(dǎo)納米線單光子探測器（SNSPDs）直接集成到SiCOI芯片上可以顯著提高系統(tǒng)效率，實(shí)現(xiàn)完全集成的量子光電子線路。

多量子比特網(wǎng)絡(luò)：利用SiC色心的長距離量子通信能力，研究人員旨在在單個芯片上展示多量子比特網(wǎng)絡(luò)。

量子存儲器：利用SiC中與電子自旋耦合的核自旋可能導(dǎo)致長壽命量子存儲器的開發(fā)，用于量子信息存儲和處理。

非線性量子光學(xué)：利用SiC的強(qiáng)光學(xué)非線性可能實(shí)現(xiàn)新穎量子光狀態(tài)的生成，增強(qiáng)量子信息處理能力。
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  r9 z" d* X: W* Y: A
0 Q) v7 d, }0 W5 V! U圖10：用于光子對生成的4H-SiCOI上環(huán)形諧振器的掃描電子顯微鏡圖像。
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結(jié)論
絕緣體上碳化硅為實(shí)現(xiàn)具有量子通信、傳感和信息處理應(yīng)用的自旋-光子界面提供了有前途的平臺。長壽命自旋量子比特、高效單光子發(fā)射和先進(jìn)光電子集成能力的結(jié)合使SiCOI成為未來量子技術(shù)的有吸引力的候選者。隨著研究人員繼續(xù)克服光譜穩(wěn)定性、自旋相干性和芯片上集成方面的挑戰(zhàn)，可以期待基于SiCOI平臺的集成量子光電子技術(shù)領(lǐng)域取得重大進(jìn)展。

; Y" y$ b5 P& U- m# x- ^參考文獻(xiàn)
+ S; z" ^1 C5 x/ ][1] J. Bader, H. Arianfard, A. Peruzzo, and S. Castelletto, "Analysis, recent challenges and capabilities of spin-photon interfaces in Silicon carbide-on-insulator," npj Nanophotonics, vol. 1, no. 29, pp. 1-14, 2024, doi: 10.1038/s44310-024-00031-8.

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