中国科学技术大学郭光灿院士课题组团队的李传峰教授、许金时教授及其同事与匈牙利魏格纳物理研究中心的Adam Gali教授合作，首次实现了单个碳化硅双空位色心电子自旋在室温下的高对比度读出和相干操控。该工作成果于2021年7月5日发表在《国家科学评论》杂志上。

固态自旋色心在量子技术的许多应用中是至关重要的，主要代表是金刚石中的氮空位(NV)色心。自1997年德国研究团队报道了室温下探测金刚石中的单个NV缺陷色心以来，金刚石中的NV中心已应用在多个领域，这其中就包括量子计算、量子网络和量子传感。

近年来，为了利用更成熟的材料加工和器件集成技术，研究人员开始在其他一些半导体材料中寻找类似的色心缺陷。其中碳化硅中的自旋色心，包括硅空位色心(缺少一个硅原子)和双空位色心(缺少一个硅原子和一个相邻的碳原子），由于它优异的光学和自旋性质引起了科学家们的广泛关注。

然而，对单个硅空位色心进行室温相干操作的自旋读出对比度仅为2%，这种色心的单光子发光亮度也低至每秒10K个计数。这些不足限制了在室温下对单个硅空位色心进行相干操作的实际应用。

中科大的研究人员利用离子注入技术在碳化硅中注入缺陷色心，并制备了双空位色心阵列。他们使用光学检测磁共振(ODMR)技术在室温下实现了单个双空位色心的自旋相干操控，同时他们发现一种双空位色心(称为PL6)具有30%的自旋读出对比度，其单光子发光亮度每秒可达150k个计数。

碳化硅双空位色心的这两个重要参数要比硅空位色心的高出一个数量级。这使碳化硅的自旋色心首次在室温下表现出可与金刚石NV色心相媲美的优异性质。特别是，室温下电子自旋的相干时间延长到了23微秒。此外，该研究团队还实现了碳化硅色心中单个电子自旋和附近核自旋的耦合和检测。

这项工作为构建基于碳化硅自旋色心系统的室温固态量子存储和可扩展的固态量子网络奠定了基础。该研究对量子信息中的许多应用都至关重要，例如，下一代混合量子器件必须将具有高读出对比度和高单光子发光亮度的自旋缺陷集成到高性能的碳化硅电子器件中。（编译:Qtech）