記者6月1日從中國科大獲悉，該校郭光燦院士團隊在碳化硅色心自旋操控研究中取得重要進展。該團隊李傳鋒、許金時、王俊峰等人與匈牙利魏格納物理研究中心Adam Gali教授合作，在國際上首次實現(xiàn)了反斯托克斯激發(fā)的固態(tài)自旋體系的相干操控，該技術在量子信息處理及量子精密測量中具有重要用途。該成果5月28日發(fā)表在國際知名期刊《自然·通訊》上。

固態(tài)自旋色心是實現(xiàn)量子計算、量子網(wǎng)絡和量子精密測量的重要物理體系。光探測磁共振(ODMR)技術是讀取色心自旋信號的方法，也是實現(xiàn)各種量子技術的基礎。傳統(tǒng)的ODMR技術基于斯托克斯激發(fā)，即激發(fā)光的能量大于色心輻射光子的能量。研究團隊首次在碳化硅的硅空位色心中實現(xiàn)了反斯托克斯激發(fā)下的ODMR探測，即激發(fā)光的能量小于色心輻射光子的能量。

通過研究反斯托克斯激發(fā)硅空位色心的熒光與激光功率以及樣品溫度的關系，研究團隊證明反斯托克斯熒光來自于聲子輔助的單光子吸收過程，可用于全光的溫度傳感。在此基礎上，對比反斯托克斯和斯托克斯激發(fā)下ODMR譜和激光功率，微波功率以及樣品溫度的關系，發(fā)現(xiàn)兩種激發(fā)手段具有相似的變化規(guī)律，但是反斯托克斯激發(fā)的ODMR譜的對比度大約是斯托克斯激發(fā)的3倍。研究團隊進一步實現(xiàn)了反斯托克斯激發(fā)下的硅空位色心自旋的相干操控，實驗結果顯示其信號對比度大約是后者的3倍。該工作為反斯托克斯激發(fā)的ODMR技術應用于量子信息處理和量子精密測量奠定了重要基礎。

審稿人高度評價本成果：“該結果為任何基于ODMR的測量帶來明顯的實際提高(The results offer an obvious practical improvement for any ODMR-based measurement)”;“作為一個新穎的原理，人們可以考慮應用于尚未預見到的場景，或者進一步發(fā)展它，我認為這個反斯托克斯的論證值得通過發(fā)表在《自然·通訊》上予以關注(as a novel principle that one can consider to apply in yet unforeseen situations, or to further develop, I think this anti-Stokes demonstration deserves attention via publication at the level of a journal such as Nature Communications)”。

該工作得到了科技部、基金委、中國科學院和安徽省的資助。

實驗結果圖。圖a-d分別比較了反斯托克斯(1030 nm激發(fā))和斯托克斯(720 nm激發(fā))的激發(fā)過程、光譜、ODMR譜和自旋回波探測。