[發明專利]用于量子和光學應用的合成金剛石材料及其制作方法

有效

• 申請號: 201380064699.1
• 申請日: 2013-12-04
• 公開（公告）號: CN104870697B
• 公開（公告）日: 2019-12-27
• 發明（設計）人: M·馬卡姆;A·斯泰西;N·德利昂;Y·褚;B·J·希爾茲;B·J·M·豪斯曼;P·馬萊廷斯基;R·E·埃文斯;A·雅各拜;H·樸;M·隆卡爾;M·D·盧金
• 申請（專利權）人: 六號元素技術有限公司;哈佛學院院長及董事
• 主分類號: C30B29/04
• 分類號: C30B29/04;C30B33/02;G06N3/00
• 代理公司: 11038 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 李英

合成金剛石材料，其包含一個或多個自旋缺陷，該一個或多個自旋缺陷具有不大于100MHz的半峰全寬固有非均勻的零聲子譜線寬度。用于獲得這樣的材料的方法包括多階段退火過程。

發明領域

本發明涉及用于量子和光學應用(例如量子光學、量子信息加工、量子密鑰分配、單光子源、量子中繼器和/或基于量子的傳感器件例如磁強計)及其制作方法。某些實施方案涉及合成和隨后處理金剛石材料以便由設置在該合成金剛石材料內的自旋缺陷提供改進的發射特性的方法。特別的實施方案涉及化學氣相沉積(CVD)的金剛石材料。

發明背景

與光子強烈結合的量子發射體(包括堿原子、捕獲的離子、固態缺陷和量子點)在光子計算、量子信息加工、量子傳感和計量學和量子網絡中具有廣泛的技術應用。對于大多數這些應用的要求是光子具有高可能性與發射體相互作用(發射體具有大的吸收橫截面)，并且具有高可能性被收集。滿足這些要求的一個主要前提是該發射是受傅立葉變換限制的，即該發射的譜線寬度僅由激發態的壽命確定。當譜線寬度比這個受變換限制的譜線寬度更寬時，額外的相移導致吸收橫截面的減小和有效收集效率的降低。較寬的譜線寬度可為由與光子的結合、光譜擴散或其它非輻射衰減通道所致。

可使用良好地集中于固態材料中的單層的具有受變換限制的譜線寬度的量子發射體來構造使強烈的單光子非線性成為可能的器件。通過將量子發射體與單一模式波導耦合，例如可以實現單光子晶體管，在該單光子晶體管中通過發射體的內部狀態控制一個光子的增殖，而這進而由另一個光子操縱。這樣的器件對于光子計算平臺是關鍵的構造單元。

此外，量子發射體例如金剛石中的氮-空位(NV)中心可用作納米級磁強計，并且提高光子收集效率可劇烈地改進靈敏度。可使用具有受轉換限制的零聲子譜線(ZPL)的NV中心以高靈敏度探測外部自旋。對于這種應用，NV集中接近金剛石表面也是重要的，因為來自外部來源的磁場隨著距離快速衰減。

另外，具有受轉換限制的譜線寬度的NV中心可用于混合量子體系中，在該混合量子體系中NV中心與另一個量子系統例如用于微波至光子轉化的超導電路、用于光子-光子轉化的光機體系和光電器件耦合。

認為來自多個光子發射體的多光子量子糾纏對于某些量子加工應用是關鍵的要素。為了實現這樣的糾纏需要來自不同發射體的光子為量子力學上不可區分的。

已知來自多個氣態發射體的多光子量子糾纏，包括來自陷阱中的單個原子/離子的發射。這通過如下實現：由氣態發射體產生在帶寬、頻率和極化方面是相同的光子發射，使得來自不同發射體的光子為量子力學上不可區分的?？墒惯@些相同的光子在分束器中重疊以實現遠程量子糾纏。

前述方法對于固態發射體是有問題的。這是因為固態體系中光學轉變的能量由于固態晶體體系內的應變和電子環境的變化而改變。固態發射體的發射特性的差異可由雜質、內部晶體缺陷例如位錯、外部缺陷例如由加工損傷所致的那些、和/或其它外部缺陷例如通過電場的Stark調諧(tuning)引起。因此由兩個不同的固態發射體發射的光子在帶寬、頻率和極化方面改變并且為量子力學上可區分的。因此，這樣的光子在分束器或相當的裝置上重疊時不經歷量子糾纏。

前述問題的一個解決方案是將用于探測來自光子發射體的光子的探測器裝置的分辨率降低至來自不同來源的光子對于探測器來說是不可區分的程度。例如，通過使用具有高時間分辨率的探測器，這進而導致低頻率分辨率，這可使光子不可區分。然而，較高的計時分辨率需要每個二進制中計數率高于噪音例如暗計數，并且來自固態材料中的缺陷的單光子發射可為非常弱的。例如，金剛石材料中光子發射的氮-空位缺陷(NV^-)，其為固態量子加工應用的主要候選物，甚至在低溫下仍然展現出與0.05級別的Debye-Waller因子相關的寬光譜發射。零聲子譜線(ZPL)中單個光子的發射那么是典型的十萬個光子每秒的級別。由于差的收集效率通常探測僅約0.1－1％的這種發射，導致低計數率。這樣的計數率對于在合理的數據采集時間內基于使用高時間分辨率(即低頻率分辨率)探測器的光子干涉實現先進的量子信息加工協議是不充足的。