全光调控金刚石硅空位中心局域应变实现非易失性存储的突破性研究

研究人员针对固态色心自旋相干性调控难题，开发了基于皮秒脉冲激光诱导缺陷迁移的全光应变调控方法。通过硅空位(SiV)中心实验验证，实现了1.8 THz的基态分裂(GS splitting)增强，无需外部场或纳米结构修饰即可实现非易失性应变控制。该技术为大规模量子系统自旋相干性提升提供了新方案，并在光子机器学习领域展现出应用潜力。

　　

在现代量子信息技术发展中，固态色心作为量子比特载体面临关键挑战：声子浴相互作用会显著降低自旋相干时间。虽然低温环境(<4K)能缓解该问题，但实际应用中需要更高效的解决方案。应变工程被视为突破这一瓶颈的潜在途径，然而传统方法依赖复杂纳米结构或持续外场作用，极大增加了系统复杂性。针对这一技术难题，来自美国亚利桑那大学(University of Arizona)的研究团队在《Nature Communications》发表了创新性研究成果。

研究团队开创性地利用高功率脉冲激光直接调控金刚石晶格缺陷分布，实现了硅空位(SiV)中心局域应变的全光控制。这种方法突破了传统应变工程的技术限制，通过皮秒激光脉冲(30 ps脉宽，60 MHz重复频率)诱导邻近缺陷迁移，引起晶格重排从而改变SiV中心的应变环境。实验证实该方法可使基态分裂(GS splitting)最高增强至1.8 THz，远超零应变状态下的48 GHz本征值。

关键技术包括：聚焦离子束(FIB)精确植入28-Si²⁺离子制备SiV中心；低温(8K)共聚焦显微系统进行光致发光(PL)谱测量；功率相关二阶关联函数验证单色心特性；密度泛函理论(DFT)计算不同空位构型对SiV中心应变的影响。特别值得注意的是，研究人员采用5×5×5金刚石超胞(1000个碳原子)模型，系统分析了空位迁移导致的Si-C键长变化与GS splitting的定量关系。

研究结果可分为四个重要发现：

1. 光学特性验证：通过PL谱确认了SiV中心在脉冲激光照射前后的两种稳定状态(s1和s2)，特征峰C/D频率差从91 GHz增至270 GHz，同时单光子特性(g⁽²⁾(0)=0.1)和1.9 ns荧光寿命保持不变。

1. 动态转换机制：发现两种转换阈值功率(0.043±0.011 nJ和0.061±0.012 nJ)，对应金刚石中空位(2.3 eV)和自填隙缺陷(1.6 eV)的扩散激活能差异，证实了缺陷迁移是应变重构的物理本质。

1. 应变调控范围：DFT计算显示最近邻空位(V₃)可产生39.4 THz的GS splitting，而实验观测到1.8 THz的最大值，源于特定空位构型(V_{3_x})对Si-C键的差异化应变(键长变化-5.78%至+13.36%)。

1. 存储器应用验证：基于双稳态转换实现了6 dB对比度的非易失性光学存储，工作温度可达80K，并通过多状态观测展示了高维编码潜力。
   

这项研究的意义在于三个方面：首先，建立了无需纳米结构或外场的局域应变调控新范式，通过缺陷工程实现了"写入即保持"的应变控制；其次，为提升自旋相干时间提供了可扩展方案，52%的SiV中心表现出可重构特性；最后，开创了基于色心应变状态的光学存储新方法，为光子机器学习等新兴领域提供了硬件基础。研究人员提出的共植入策略(co-implantation)进一步拓展了应变调控的灵活性，这种"全局+局域"的协同调控思路，为固态量子系统的性能优化开辟了新途径。