氮化镓缺陷的光学特性。a，孤立缺陷（2号）的PL图像，用箭头表示，及其周围环境。比例尺，2μm。b， 2号缺陷的光谱图。插图显示了在缺陷周围雕刻的固体浸没透镜的扫描电子显微镜图像。比例尺，4μm。c， 二阶光子自相关 g(2)(τ），其中 τ 是延迟。零延迟自相关 g(2)（0） = 0.3 < 0.5，这与单光子发射器一致。d，磁场依赖性PL测量，磁场大致与GaN晶体的c轴对齐，显示出两组行为，如文中所述。e，与 S ≥ 1 基态 （g） 和激发态 （e） 自旋一致的最小能级图。非辐射系统间交叉（ISC）速率γ国际学习中心进入亚稳态 （M） 与自旋有关。f，与 S ≥ 1 亚稳态一致的最小能级图。非辐射系统间交叉速率γISC，g从亚稳态开始是自旋依赖性的，辐射弛豫速率γ例如与自旋无关。图片来源：Nature Materials （2024）。DOI：

10.1038/s41563-024-01803-5

在金刚石（和其他半导体材料）中，缺陷是量子传感器最好的朋友。这是因为缺陷，本质上是原子的推挤排列，有时包含具有角动量或自旋的电子，可以存储和处理信息。这种“自旋自由度”可以用于一系列目的，例如感应磁场或建立量子网络。

由康奈尔工程学院应用与工程物理学教授Greg Fuchs博士领导的研究人员在流行的半导体氮化镓中寻找这种自旋，令人惊讶的是，在两种不同的缺陷中发现了它，其中一种可以操纵用于未来的量子应用。

该小组的论文“Room Temperature Optically Detected Magnetic Resonance of Single Spins in GaN”发表在Nature Materials上。第一作者是博士生罗佳伦。

缺陷是赋予宝石颜色的原因，因此，它们也被称为颜色中心。例如，粉红色钻石的色调来自称为氮空位中心的缺陷。然而，即使在常用的材料中，也有许多颜色中心尚未确定。

“与金刚石不同，氮化镓是一种成熟的半导体。它是为宽带隙高频电子器件开发的，多年来这是一项非常艰苦的努力，“Fuchs说。“你可以去买一块威化饼;它可能在您的计算机充电器或电动汽车中。但就量子缺陷的材料而言，它还没有得到太多的探索。

为了寻找氮化镓的自旋自由度，Fuchs和Luo与Joseph P. Ripley工程学教授Farhan Rana和博士生Yifei Geng合作，他们之前曾与他们一起探索过这种材料。

该小组使用共聚焦显微镜通过荧光探针识别缺陷，然后进行了大量实验，例如测量缺陷的荧光速率如何随磁场的变化，并使用小磁场驱动缺陷的自旋共振传输，所有这些都在室温下进行。

“一开始，初步数据显示出有趣的自旋结构的迹象，但我们无法驱动自旋共振，”罗说。“事实证明，我们需要知道缺陷对称轴，并沿正确的方向施加磁场来探测共振;结果给我们带来了更多有待解决的问题。

实验表明，该材料具有两种具有不同自旋光谱的缺陷。在一种情况下，自旋耦合到亚稳态激发态;在另一个情况下，它与基态耦合。

在后一种情况下，研究人员在驱动自旋跃迁时能够看到高达30%的荧光变化 - 对比度变化很大，对于室温下的量子自旋来说相对罕见。

“通常，荧光和自旋的联系非常微弱，所以当你改变自旋投影时，荧光可能会变化0.1%或非常非常小，”Fuchs说。“从技术的角度来看，这并不好，因为你想要一个大的变化，这样你就可以快速有效地衡量它。

研究人员随后进行了量子控制实验。他们发现他们可以操纵基态自旋，并且它具有量子相干性 - 一种允许量子比特或量子比特保留其信息的质量。

“这是这项观察非常令人兴奋的事情，”Fuchs说。“还有很多基础工作要做，问题比答案多得多。但是，在这个颜色中心发现自旋的基本发现，它具有高达30%的强烈自旋对比度，它存在于成熟的半导体材料中，这开辟了我们现在兴奋地探索的各种有趣的可能性。

更多信息：Jialun Luo 等人，GaN 中单自旋的室温光学检测磁共振，Nature Materials （2024）。DOI： 10.1038/s41563-024-01803-5