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为解决固态量子技术中电荷涨落影响量子缺陷光学性质的问题，研究人员对 4H-SiC 肖特基二极管中单个硅空位（V?）色心展开研究，发现电荷耗尽可窄化光学跃迁线宽，揭示其光电动力学特性，为可扩展量子网络奠定基础。
在量子信息技术蓬勃发展的今天，固态量子系统因其潜在的可扩展性和稳定性成为研究热点。然而，固态材料中量子缺陷（如色心）的光学和自旋性质常受周围电荷环境涨落的干扰，导致量子相干性下降，这一问题严重制约了量子器件的实际应用。例如，金刚石中的氮空位（NV）色心和碳化硅（SiC）中的硅空位（V?）色心虽具备优异的量子特性，但电荷环境的不稳定性始终是实现大规模量子网络的关键瓶颈。如何通过器件结构设计实现对缺陷电荷状态的精准调控，进而提升量子系统的稳定性和可扩展性，成为当前固态量子技术领域亟待解决的核心问题。
为攻克这一难题，德国斯图加特大学（University of Stuttgart）的研究团队联合哈佛大学、林茨大学等机构，针对 4H-SiC 肖特基二极管中的单个 V?色心展开了系统性研究。相关成果发表在《Nature Communications》上，为固态量子缺陷的器件集成和量子网络应用开辟了新路径。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：
- 低温共聚焦显微技术：在 < 10 K 低温环境下，通过共聚焦显微镜实现对单个 V?色心的光学定位和光致发光激发（PLE）光谱测量，精确追踪缺陷的光学跃迁行为。
- 肖特基二极管电学调控：利用 Au/Ti/4H-SiC 肖特基结结构，通过施加直流偏压调控缺陷周围的电荷耗尽区，研究电场对 V?色心光学和自旋性质的影响。
- 双激光光电离动力学测量：结合共振激光（916 nm）和可调谐辅助激光（880-1200 nm），研究不同波长下 V?色心的电荷态电离速率，验证其主要电离路径为负电荷态（V??）到双负电荷态（V?2?）的跃迁。
- 自旋相干性测量：通过动态解耦技术（如 Hahn 回波）测量 V?色心的电子自旋和核自旋相干时间（T?），评估电荷调控对自旋性质的影响。
结果
1. 电荷耗尽与光学线宽窄化
通过施加负偏压（-150 V 至 + 30 V），研究人员发现 V?色心的 PLE 光谱线宽随电荷耗尽区扩展而显著窄化。例如，当缺陷距肖特基接触约 4 μm 时，负偏压下的线宽从 170 MHz 降至 14 MHz，接近傅里叶极限。这一现象归因于周围体电荷的耗尽消除了电荷涨落引起的光谱扩散，且线宽窄化阈值与 COMSOL 模拟预测的耗尽区边界吻合，验证了本征层掺杂浓度为 7×1013 cm?3。
2. 直流12斯塔克效应与电荷陷阱调控
研究发现 V?色心的光学跃迁存在垂直于晶体 c 轴的二次斯塔克效应，斯塔克系数为 - 0.047±0.006 GHz/(MV/m)2。此外，邻近的碳空位（V?）电荷陷阱可导致 PLE 光谱分裂为三态（对应 V?的 2+、+、0 电荷态），通过激光泵浦可调控陷阱的电荷分布，而当耗尽区覆盖缺陷时，陷阱效应被抑制，光谱仅保留单一窄线。
3. 光电13离动力学与电荷态稳定性
光电离速率测量表明，V?色心在 1.352 eV（916 nm）共振激发下主要电离至暗态 V?2?，其电离阈值波长为 948 nm（1.31 eV），与从头算模拟结果一致。负偏压下的电荷耗尽可降低电离速率，使缺陷稳定在发光态 V??，证实了电场调控对电荷态稳定性的提升作用。
4. 自旋45相干性与量子网络协议验证
集成肖特基结与光学微固体浸没透镜（SIL）后，V?色心的电子自旋和核自旋相干时间（T?）分别达 0.4 ms 和 70 ms，通过动态解耦可进一步延长。研究还验证了基于电荷共振检查（CRC）和核自旋单次读出（SSR）的量子协议，负偏压下的测量保真度超过 99%（μ+3σ），显著优于无偏压状态。
结论与讨论 67
该研究首次实现了肖特基器件与光学微结构在低温下的量子集成，揭示了 V?色心在电场调控下的电荷态动力学和自旋光子界面特性。通过电荷耗尽消除环境涨落，结合斯塔克效应和陷阱调控，研究人员不仅实现了光学线宽的显著窄化，还验证了稳定的自旋相干操控，为量子中继网络中的高保真纠缠分发提供了关键技术支撑。此外，肖特基结的简单制造工艺兼容芯片产业，为可扩展、可重复的固态量子缺陷集成开辟了新方向。未来，结合纳米光束等高效光收集结构，V?色心有望成为构建大规模量子网络的核心单元，推动固态量子技术从实验室走向实际应用。
研究成果不仅深化了对 SiC 基量子缺陷的物理理解，更展示了半导体器件与量子光学的交叉潜力，为解决固态量子系统的稳定性难题提供了切实可行的方案，标志着硅基量子技术向实用化迈出重要一步。
