秒激光在金刚石中制备单个SiV色心研究取得进展

金刚石色心因其单光子发射特性、室温发光稳定、自旋易于操控、生物兼容性等等优点在诸如验证基础物理现象、量子信息技术、超灵敏探测、生物标记与传感等方面具有极其重要的应用前景。因此发展高性能优异的金刚石色心单光子源的制备手段意义重大。近日，实验室武愕研究员课题组用飞秒激光辐照手段实现简便灵活地制备SiV-色心单光子源，并发表在国际学术期刊Opt. Lett. 44, 3793 (2019)。

实验中，他们通过在金刚石表面旋涂硅纳米球，将高功率飞秒激光聚焦于金刚石样品表面，在硅纳米球的作用下，无需高温退火即可高效地制备NV-色心。同时发现该样品进行高温退火后，首次实现了飞秒激光辐照快速制备单个SiV-色心。使用共聚焦扫描显微镜表征所产生的SiV-色心的光学性质，比如光谱、量子发射特性、发光明亮程度和稳定程度、偏振特性、深度等等，证明了飞秒激光可以作为有效、方便灵活地制备浅层、发光明亮稳定的单个SiV-色心，对其在量子超灵敏探测领域的应用具有重要意义，也为金刚石中其他性能优异的色心（如镍氮相关色心、锗空穴色心等）的制备开辟了新的道路。此外，课题组还深入探究了两种色心的形成机理：强激光场在金刚石表面产生的大气电离并引发硅的库伦爆炸，将氮离子、硅离子注入到金刚石内部，并产生空穴，辐照区域局部高温或高温热退火使空穴移动与氮、硅原子结合形成相应的色心。

该项工作得到了实验室贾天卿教授课题组的大力支持，是实验室不同课题组间交叉合作的成果。

图1. (a)飞秒激光辐照区域荧光扫描图，(b)荧光区域放大图，A,B为两个孤立发光点，(c) A，B两点的光谱表征为SiV-色心，(d)荧光二阶相关性测量表明为单光子发射源，(e) A,B两色心荧光偏振态正交。