面向可扩展量子技术的宽带波长依赖性硅碳-绝缘体平台自旋系综电学读取研究

《Nano Letters》：Wavelength-Dependent Electrical Readout of Spin Ensembles in a Thin-Film SiC-on-Insulator Platform

在基于光学检测磁共振（ODMR）的传统自旋读取方法难以满足可扩展量子技术需求的背景下，研究人员成功在硅碳-绝缘体（SiCOI）薄膜平台上实现了对硅空位（VSi–）自旋系综的宽波长范围（780-990 nm）电学读取与相干操控。这项工作融合了无需光学收集系统、可扩展的自旋电学检测技术（PDMR）与SiCOI这一极具前景的集成光子学平台，为未来大规模、CMOS兼容的量子器件发展奠定了基础。

　　

在量子技术领域，寻找一种能够与成熟的半导体工艺兼容，并允许对固态自旋进行高效操控和读取的平台，是迈向大规模量子计算、传感和通信的关键。碳化硅（SiC）作为一种CMOS兼容的半导体材料，因其内部天然存在多种固态自旋系统（如硅空位V_Si^–、双空位等）而备受关注。这些自旋系统在室温下即可通过光学进行初始化、操控和读取，并展现出超过1毫秒的相干时间，使其成为量子技术的理想候选者。

然而，当前基于块体碳化硅的实验主要依赖于光学检测磁共振（ODMR）。这种方法需要复杂且庞大的光学收集系统，包括波长滤波器和光电二极管等，严重制约了系统向大规模、高集成度方向发展的潜力。为了突破这一瓶颈，研究人员亟需一种更为简洁、可扩展的自旋态读取方案。

关键技术方法概览

本研究在1.3微米厚的4H-SiCOI薄膜平台上，首次实现了对约540个V2型硅空位（V_Si^–）自旋系综的室温电学读取与相干操控。研究团队在SiC薄膜表面制作了金电极，并覆盖了透明的氢倍半硅氧烷（HSQ）保护层。实验采用可调谐钛宝石激光器（波长范围662–1050 nm）进行光学激发，利用图案化的电极施加偏压以提取光生电荷。自旋态的相干操控通过施加与塞曼劈裂能级匹配的射频（RF）信号实现。通过测量射频驱动下的光电流变化，实现了对自旋态的电学检测（PDMR）。研究还系统比较了块体SiC与SiCOI薄膜在光、电两种读取方式下的性能，并探究了激发波长对电学自旋对比度的影响。

研究结果与发现

1. SiCOI平台上的电学自旋读取与相干操控

研究首次在1.3微米厚的4H-SiCOI薄膜上观察到了脉冲式电学检测磁共振信号。在890 nm激光激发下，测得SiCOI薄膜的电学自旋对比度为0.025%，略高于同源块体样品的0.008%。更重要的是，在SiCOI薄膜中同样观测到了清晰的电学拉比振荡，其对比度约为0.01%，这直接证实了经过晶圆键合、减薄、抛光及感应耦合等离子体（ICP）刻蚀等薄膜加工工艺后，硅空位的自旋电学读取能力得以完好保持。

2. 薄膜加工对自旋相干性的影响

通过光学哈恩回波测量，研究团队对比了薄膜与块体样品中自旋的退相干时间。结果显示，薄膜和块体SiC的T₂相干时间均约为7 ± 0.5微秒。这一结果有力地证明，尽管经历了复杂的薄膜化处理，SiCOI平台中硅空位的相干特性并未受到显著损害，为在该平台上构建相干量子器件提供了关键依据。

3. 自旋电学读取的宽波长依赖性

这是本研究的另一项突破性发现。研究人员将激发波长从780 nm扫掠至990 nm，并测量了相应的电学拉比对比度。结果表明，电学自旋对比度从780 nm开始增加，在900 nm附近达到较优值，并且这种对比度一直持续到980 nm，甚至在990 nm处仍可探测到微弱的信号。这是首次实现远超硅空位V2中心零声子线（ZPL， 917 nm）的电学自旋态读取。研究者分析，在室温下，这一过程可能通过声子辅助激发实现。同时，背景光电流在波长超过780 nm后开始下降，这被归因于碳空位（V_C）、碳反位-空位对（C_SiV_C）等其他缺陷对光电流贡献的减少，从而间接提升了自旋信号的对比度。

结论与意义

本研究成功地将光电检测磁共振技术与硅碳-绝缘体平台相结合，首次在SiCOI薄膜上实现了对硅空位自旋系综的宽波长范围（780-990 nm）电学读取与相干操控。研究证实，尽管经过减薄处理，SiCOI平台中的自旋系统仍保有与块体材料相当的相干时间（~7 μs）。尤为重要的是，电学读取方式展现出了对激发波长的高度耐受性，其有效工作范围远超传统光学方法受限于零声子线的狭窄波段，且在840-890 nm波长区间，其信噪比甚至优于受限于低效光子收集的光学测量。

这项工作的意义在于，它将两种极具前景的技术方向——适用于大规模集成光子学制造的SiCOI平台，以及无需复杂光学收集系统、可通过图案化金属电极实现扩展的电学自旋检测技术（PDMR）——融合在了一起。这为未来构建紧凑、可扩展的片上量子器件阵列铺平了道路。通过将电学自旋读取电极阵列与集成光子网络相结合，未来有望实现用于分布式量子计算的量子处理芯片。此外，在无需光学纠缠的应用场景中，SiCOI上空间分离的PDMR电极阵列可以作为一个“量子电荷耦合器件”，实现高空间分辨的电磁场和温度传感，其应用潜力将超越传统宽场光学显微镜的局限。这项研究发表于《Nano Letters》，标志着在实现CMOS兼容、可扩展的固态自旋量子技术道路上迈出了坚实的一步。