Undersøgelse viser hurtig fotoioniseringsdetektion af enkelte erbiumioner i silicium

Effektiv detektering af enkelte optiske centre er afgørende for applikationer inden for kvanteberegning, sensing og generering af enkeltfoton. For eksempel har nitrogen-vacancy-centre (NV) i diamant gjort gennembrud inden for magnetfeltmålinger med høj præcision. Påvisningen af ​​NV-centre er afhængig af observation af deres spin-korrelerede fluorescens.

Tilsvarende har optiske centre i siliciumcarbid og sjældne jordarters ioner i faste stoffer også lignende detektionsmekanismer. Imidlertid kræver udlæsningen af ​​disse systemer, at der indsamles et tilstrækkeligt antal fotoner som detektionssignaler, hvilket begrænser pålideligheden af ​​spintilstandsudlæsning. I modsætning hertil giver de elektriske udlæsningsmetoder, der almindeligvis anvendes i kvanteelektroniske enheder, højere udlæsningstrohed inden for kortere tidsintervaller.

Et forskerhold ledet af prof. Chunming Yin ved University of Science and Technology i Kina har for nylig opnået fremskridt inden for siliciumbaseret kvanteteknologi ved at demonstrere hurtig fotoioniseringsdetektion af enkelt Er ³⁺ ioner i en silicium nano-transistor. Resultaterne er blevet publiceret i tidsskriftet National Science Review og den første forfatter til denne artikel er Dr. Yangbo Zhang.

Prof Chunming Yin og hans samarbejdspartnere opnåede først fotoioniseringsdetektion af enkelt Er ³⁺ ioner i siliciumbaserede enkeltelektrontransistorer i 2013. Imidlertid var udlæsningshastigheden af ​​fotoioniseringsbegivenheder betydeligt begrænset af båndbredden af ​​DC-strømmålinger.

I dette seneste arbejde brugte de radiofrekvensreflektometri og realiserede med succes hurtig fotoioniseringsdetektion af enkelt Er ³⁺ ioner i siliciumbaserede enkeltelektrontransistorer, og hver ioniseringsbegivenhed kan detekteres med en tidsopløsning bedre end 100 nanosekunder. Baseret på denne teknik undersøgte de også den optiske exciterede tilstands levetid for enkelt Er ³⁺ ioner i siliciumbaserede nanoenheder.

Brug af radiofrekvensreflektometridetektionsteknikken på enkelte optiske centre giver nye muligheder for skalerbare optiske kvantesystemer. Desuden giver denne metode et løfte om at opnå hurtig udlæsning af andre enkelt optiske centre i faste stoffer, og derved fremme anvendelsen af ​​enkelt optiske centre i skalerbare kvantesystemer og højpræcisionsføling.

Flere oplysninger: Yangbo Zhang et al., Fotoioniseringsdetektion af en enkelt Er3+-ion med en tidsopløsning på under 100 ns, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad134

Leveret af Science China Press