2019年12月6日，美國芝加哥大學和美國阿貢分子工程與材料科學中心國家重點實驗室David D.Awschalom教授團隊在世界頂級期刊《Science》在線發表名為“Electrical and optical control of single spins integrated inscalable semiconductor devices”的研究文章，引入了一種對環境的電調諧通用的技術，可以用于半導體中的各種量子發射器，實現單鏡頭讀出和糾纏的關鍵，可能會帶來量子材料和量子設備的更新。

研究預覽：碳化硅中的自旋缺陷具有特殊的電子自旋相干性和近紅外自旋光子界面的優點，具有類似特點的所有材料都適合應用在現代半導體制造行業中。利用這些優勢，該團隊將高度一致的單中性剝離自旋集成到市售的p-i-n結構中，并制作了二極管來調節缺陷的局部電環境。這些設備支持確定性的電荷狀態控制和超過850千兆赫的斯塔克移動。結果表明電荷損耗會導致光學線寬縮小50多倍，接近壽命極限。這些結果證明可以采用設計固態發射器的的電環境和使用經典的半導體器件控制可擴展、自旋為基礎的量子系統的新方法從而減少光譜擴散中普遍存在的問題。

通過摻雜SiC脫色劑的共晶體生長而形成4H-SiCp-i-n二極管，然后分離和控制單個VV0。在生長后，該團隊對樣品進行了電子輻照和退火處理，以產單一的、孤立的VV0缺陷；制作了微波帶狀線和歐姆接觸墊，允許自旋流形和電選門。與SiC中的其他缺陷如孤立硅空位相比，空雙位在1600℃以上時，仍然穩定存在，這使得它可以與器件處理和高溫處理相結合形成歐姆接觸。

該裝置的空間光致發光（PL）掃描顯示，孤立的發射源對應于單個的VV0，二階相關測量結果證實了這一點。觀察到的缺陷的深度位置與i型 一致，這是可以預測到的，因為形成能的計算表明中性電荷態在能量上是有利的。此外，由于二極管在低溫下的高整流性，使得反向偏置較大，使得低電流條件下成為可能。

商用半導體器件中單個VV0的隔離

因為SiC中的（hh）和（kk）雙空位是沿著c軸（生長軸）對稱的，所以二極管的幾何形狀允許較大的電場，這些電場很大程度上保留了缺陷的對稱性，因此寬VV0光學結構的優化是可行的。此外，可以使用摻雜層作為原位透明的本地接觸來進行斯塔克調整和控制懸浮光子晶體的局域缺陷或聲子結構，使復雜的混合電子、光子和聲子器件成為可能。

在p-i-n結器件中，該團隊應用了高達420V的反向偏壓。結果顯示同一類型的不同缺陷和等不對稱晶格點出現了幾百千兆赫的完全調諧，閾值通過后發生了斯塔克位移，范圍為0.4 ~ 3.5GHz/V。

p-i-n二極管的斯塔克轉變

調整固態發射器的電環境優化線寬

不受控制的波動電氣環境在旋轉系統中是一個常見的問題，它們會導致反相和在量子發射器中一樣，它們導致了光譜結構的擴散并且引起更大、不均一的加寬。例如，只添加和刪除一個100 nm的電子電荷會引起VV0的光學精細結構偏移約100 MHz。

在本文中，該團隊介紹了一種技術減輕光譜擴散。通過在我們的裝置上施加電場，耗盡缺陷的充電環境，獲得20±1MHZ的單掃描線寬，不需要進行徹底的搜索。不需要進行徹底的搜索，就可以獲得20條單掃描線寬。這種單線寬的減少與基于橫向不對稱的缺陷的電壓是不同的。

單個VVo的光電電荷控制

同樣，該團隊通過改變重新光子電離的鐳射速率研究了電荷重置動力學。該團隊發現了一個近似線性的規律（m = 0.98±0.02），這種重新調整率的線性關系可以通過兩個可能的模型 進行描述。其中一種可能性是暗電荷態是一個光子被雷射直接電離的狀態。另一個可能的解釋是附近的電子陷阱被這種顏色電離和自由電子通過雙空位被捕捉的情形從而被電離，從黑暗狀態轉變成光亮狀態。

VV0的電離和電荷重置率

研究總結：文中描述的對環境的電調諧是一種新的通用的方法，可以用于半導體中的各種量子發射器。在半導體中存在特定的彌散、電荷穩定性的問題甚至有電場波動限制自旋干擾的情況發生，這種通用的方法可以很好的解決這些問題。而且，利用p-i-n二極管作為試驗對象研究了電荷動態特性，該團隊開發了一種在電場下對單個電極的電荷狀態進行決定性光控制的技術。

研究展望：這項技術是實現單鏡頭讀出和糾纏的關鍵，通過使電荷控制和提高光子的不可分辨性，使摻雜半導體結構成為理想的缺陷量子平臺。更為重要的是，這項工作還使納米級電場、電荷的高靈敏度測量、工作裝置中的分布和促進自旋到電荷的轉換增強的量子傳感和電子讀出協議成為可能。最后，將VV0引入到經典的碳化硅半導體如二極管、金屬氧化物半導體場效應晶體管等設備中，甚至會是下一代量子設備成為可能。

DOI：10.1126/science.aax9406