Effektiv detektering av enstaka optiska centra är avgörande för tillämpningar inom kvantberäkning, avkänning och generering av enfoton. Till exempel har kvävevakanscenter (NV) i diamant gjort genombrott inom magnetfältsmätning med hög precision. Detekteringen av NV-centra är beroende av att observera deras spinn-korrelerade fluorescens.
På liknande sätt har optiska centra i kiselkarbid och sällsynta jordartsmetalljoner i fasta ämnen också liknande detektionsmekanismer. Avläsningen av dessa system kräver emellertid att man samlar in ett tillräckligt antal fotoner som detekteringssignaler, vilket begränsar tillförlitligheten för avläsning av spinntillstånd. Däremot ger de elektriska avläsningsmetoderna som vanligtvis används i kvantelektroniska enheter högre avläsningstrohet inom kortare tidsintervall.
En forskargrupp ledd av professor Chunming Yin vid University of Science and Technology i Kina har nyligen gjort framsteg inom området kiselbaserad kvantteknologi genom att demonstrera snabb fotojoniseringsdetektering av enkel Er 3+ joner i en nanotransistor av kisel. Resultaten har publicerats i tidskriften National Science Review och den första författaren till den här artikeln är Dr. Yangbo Zhang.
Prof Chunming Yin och hans medarbetare uppnådde först fotojoniseringsdetektering av singel Er 3+ joner i kiselbaserade enelektrontransistorer 2013. Avläsningshastigheten för fotojoniseringshändelser begränsades dock avsevärt av bandbredden för likströmsmätningar.
I detta senaste arbete använde de radiofrekvensreflektometri och realiserade framgångsrikt snabb fotojoniseringsdetektering av enkel Er 3+ joner i kiselbaserade enelektrontransistorer, och varje joniseringshändelse kan detekteras med en tidsupplösning bättre än 100 nanosekunder. Baserat på denna teknik undersökte de också livslängden för optiskt exciterat tillstånd för singel Er 3+ joner i kiselbaserade nanoenheter.
Att använda tekniken för detektering av radiofrekvensreflektometri på enstaka optiska centra ger nya möjligheter för skalbara optiska kvantsystem. Denna metod lovar dessutom att uppnå snabb avläsning av andra enstaka optiska centra i fasta ämnen, och därigenom främja tillämpningarna av enstaka optiska centra i skalbara kvantsystem och högprecisionsavkänning.
Mer information: Yangbo Zhang et al, Fotojoniseringsdetektering av en enda Er3+-jon med en tidsupplösning på under 100 ns, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad134
Tillhandahålls av Science China Press
