硅中单铒离子的高速光电离探测

图1：a, 硅基单电子晶体管（Single electron transistor）中单铒离子的快速光电离探测。b,单铒离子的三次光电离探测信号。

探测单个发光中心的效率对于量子计算、精密测量以及单光子领域的应用非常关键。比如，金刚石中的氮-空位（NV）色心在磁精密测量方面取得了突破性进展。NV色心的探测是通过观察其自旋相关的荧光实现的。类似地，碳化硅和固体中的稀土离子也有类似的探测机制。然而，上述体系的读出需要收集足够多的光子作为探测信号，这会限制自旋态的读出准确度。相比之下，常用于量子电子学器件中的电学读出方法可以在较短的时间内提供更高的读出准确度。

针对这一问题，中国科学技术大学的尹春明教授及其合作者在硅基量子技术领域取得了一项重要突破，实现了对硅基纳米晶体管中单个铒离子的超快光电离探测。相关研究成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），中国科学技术大学的张阳博博士为论文的第一作者。

尹春明教授及其合作者在2013年已经实现了硅基单电子晶体管中单个铒离子的光电离探测，但由于直流电学测量带宽的限制，铒离子的读出速度受到了显著限制。在这项最新工作中，研究人员采用了射频反射测量技术（图1a），首次实现了对硅基单电子晶体管中单个铒离子的超快光电离探测（图1b），每次探测的时间分辨率都优于100纳秒。基于这项技术，该项工作还对硅基纳米器件中单个铒离子的光学激发态寿命进行了研究。

这种结合单个光学中心的射频反射探测技术为可扩展的光量子系统提供了新的可能性。此外，这种方法有望在固体中实现对其他单个光学中心的快速读出，推动单光学中心在可扩展量子系统和精密测量等领域的应用。

该研究工作得到了国家科技部和安徽省科技厅的科技项目资助，并得到中国科学技术大学杜江峰教授的大力支持。