【摘要】：在過去的幾十年里,利用量子相干性和量子糾纏來發(fā)展量子設(shè)備進(jìn)行了大量的研究,實(shí)現(xiàn)了經(jīng)典物理里面難以實(shí)現(xiàn)的功能。然而,量子系統(tǒng)必須在低溫下進(jìn)行操控是發(fā)展量子技術(shù)一個巨大的瓶頸。近幾年來,半導(dǎo)體中的點(diǎn)缺陷作為量子系統(tǒng)的候選材料,實(shí)現(xiàn)了室溫下的量子操控。其中金剛石氮空位(NV)色心受到廣泛的關(guān)注,研究表明,通過改變金剛石NV色心周圍的環(huán)境,可以測量和控制NV色心的自旋,并且有可能將其應(yīng)用在磁場傳感器上。許多研究已經(jīng)表明,金剛石中單個NV色心可以作為單個可尋地址,量子計(jì)算中的固態(tài)量子比特,量子通訊中的單光子源、磁場、電場、應(yīng)力場、甚至慣性和旋轉(zhuǎn)高精度測量中的量子傳感器。作為高精度的量子傳感器應(yīng)用的前提是金剛石中必須含有高濃度的NV色心,來實(shí)現(xiàn)量子傳感器的所有功能。例如,關(guān)于高精度的慣性和旋轉(zhuǎn)測量,研究者們發(fā)現(xiàn),在1 mm~3的金剛石中NV色心的濃度要達(dá)到1 × 10~(18) cm~(-3),這樣高濃度的NV色心才能制備出比目前最好的基于微機(jī)電系統(tǒng)的機(jī)械陀螺儀精度更高的量子陀螺儀。本論文研究中,通過一些實(shí)驗(yàn)方法產(chǎn)生NV色心,并且用熒光光譜、電子自旋共振和正電子湮沒譜學(xué)對金剛石中NV色心進(jìn)行鑒定和濃度估算。金剛石中NV色心的產(chǎn)生手段主要有室溫和77 K電子輻照,高溫退火處理和離子注入技術(shù)。研究結(jié)果表明,室溫和77 K電子輻照金剛石能夠有效的在金剛石中產(chǎn)生NV色心。高溫退火金剛石粉末也能增加金剛石中NV色心的濃度,但是硅離子注入金剛石反而使金剛石中的NV色心濃度降低�？紤]到金剛石生長工藝復(fù)雜,金剛石材料生長工藝還不是十分的成熟,生長工藝也在不斷的發(fā)展中,在金剛石上面加工設(shè)備也十分的困難。因此,我們研究和金剛石NV色心性質(zhì)類似的缺陷,包括一些沒有被考慮到的缺陷。在我們的研究中,通過實(shí)驗(yàn)和理論研究金剛石NV色心等電子體結(jié)構(gòu)的缺陷,如3C-SiC中NV色心和4H-SiC中O-V色心。我們也研究了結(jié)構(gòu)和金剛石NV色心結(jié)構(gòu)不同的缺陷色心,如4H-SiC中負(fù)一價的硅空位。為了研究這些缺陷的自旋和光學(xué)性質(zhì),我們通過Franck-Condon近似來計(jì)算缺陷色心的自旋守恒光學(xué)轉(zhuǎn)變,這個對于操控光子誘導(dǎo)電子在基態(tài)和激發(fā)態(tài)之間的躍遷十分重要。此外,我們估算了缺陷色心的自旋相干時間,這個對于自旋調(diào)控和量子比特操作十分重要。結(jié)合平均場近似和第一性原理計(jì)算來估算缺陷色心的超精細(xì)相互作用能,再通過不確定關(guān)系獲得自旋相干時間。我們也研究了其它帶隙寬度大于或等于2 eV的寬帶隙半導(dǎo)體,過渡金屬摻雜MgO形成的缺陷可能成為量子比特的候選材料,因?yàn)檫^渡金屬可以在材料生長過程中無意識的摻進(jìn)去或者通過離子注入的辦法摻進(jìn)去。在我們的研究中,正二價的Ni摻雜MgO形成的缺陷色心具有較長的自旋相干時間,可以用來實(shí)現(xiàn)量子比特的應(yīng)用。通過實(shí)驗(yàn)和理論的研究,本論文針對金剛石,碳化硅和氧化鎂材料應(yīng)用于量子比特的研究:怎樣提高金剛石中NV色心的濃度;碳化硅中哪些缺陷可以用作為量子比特候選材料;其他的量子比特候選材料的研究。主要取得了以下研究成果:(1)室溫和低溫電子輻照lb金剛石能有效的產(chǎn)生NV色心,電子輻照Ila金剛石主要產(chǎn)生空位型缺陷。比較室溫和低溫電子輻照,發(fā)現(xiàn)低溫電子輻照并沒有比室溫電子輻照更加有效的產(chǎn)生NV色心。(2)金剛石中NV~(-1)色心的光學(xué)信號與溫度有關(guān),當(dāng)溫度降至5K時,金剛石中NV~(-1)色心的光學(xué)零聲子線明顯增強(qiáng),NV~0色心零聲子線的信號明顯減弱。低溫下能夠有效的將金剛石中的NV~0色心轉(zhuǎn)換成NV~(-1)色心。(3)SiC中的空位型缺陷具有量子比特的性質(zhì),如3C-SiC中的NV色心和金剛石NV色心具有許多相同的性質(zhì)。4H-SiC中的VSi和V_SiO_C也具有量子比特的性質(zhì),通過電子輻照和離子注入技術(shù)都能在4H-SiC中產(chǎn)生這些缺陷。(4)正二價的鎳離子摻雜MgO形成的Ni_Mg色心具有量子比特性質(zhì),Ni_Mg色心的自旋守恒光學(xué)轉(zhuǎn)變能相對于金剛石中的NV色心而言更低。當(dāng)溫度為OK時,Ni_Mg色心的自旋相干時間也在一秒左右。通過Ni離子注入的方法可以有效的在MgO中產(chǎn)生Ni_Mg色心。
【圖文】：

冷原子體系被認(rèn)為是最有可能應(yīng)用于量子信息科學(xué)的單量子系統(tǒng)［ｉ３，Ｗ。中性逡逑原子或離子可被電場或者磁場冷卻，通過適當(dāng)?shù)碾妶隹蓪蝹�原子或者離子逡逑囚禁在電極附近，如圖１．１中（ａ）和（ｂ）所示。多原子或離子量子系統(tǒng)可Ｗ通逡逑過激光誘導(dǎo)原子諧振子集體運(yùn)動捕獲，這種方法最早在１９９５年被Ｃｉｒａｃ和Ｚｏｌｌｅｒ逡逑提出和實(shí)現(xiàn)。最近的實(shí)驗(yàn)，己經(jīng)實(shí)現(xiàn)了８個捕獲離子阱的量子系統(tǒng)。原子或離子逡逑中不同電子軌道的躍遷可Ｗ用來實(shí)現(xiàn)光學(xué)操控，并且原子和離子受環(huán)境中的超精逡逑細(xì)干擾作用很小，具有較長的自旋相干時間。此外，冷原子體系量子系統(tǒng)的元素逡逑１逡逑

｜￥邋＞＝邋ｃｏｓ（—）｜邋Ｔ＞邋＋ｅ＾？＊ｓｉｎ（—）｜邋ｉ＞逡逑其中｜邋＞是Ｄｉｒａｃ符號，Ｉ邋ｔ邋＞和｜１＞對應(yīng)經(jīng)典信息中的比特０和１。０和表示極化逡逑角和方位角。作＞表示Ｂｌｏｃｈ球的表面任意態(tài)，如圖１．１所示。初始化是指將自旋逡逑極化到｜ｔ＞或荀１＞態(tài)，而相干操控是將自旋調(diào)控到Ｂｉｏ化球表面的其它態(tài)，，讀取逡逑是指測量自旋投影后的本征態(tài)。逡逑ｒ）逡逑ｉｗｉ邐小〉逡逑圖１．１８１0沈球表示自旋為１／２的粒子，其中｜了＞叫１／２，＋１／２＞，｜１＞＝｜１／２，－１／２＞。球面上的其它逡逑點(diǎn)，表示｜�。竞停鼞魳�(gòu)成的疊加態(tài)。逡逑滿足條件的兩能級系統(tǒng)有很多，如電子自旋，原子能級，原子核自旋和極化逡逑光子等［１６］。在本論文的研究中，主要針對經(jīng)典的物理系統(tǒng)－半導(dǎo)體固態(tài)量子比特逡逑進(jìn)行研究。首先，自旋為１／２的系統(tǒng)具有兩個離散能級，是自然界中天然的量子逡逑比特。其次，相對原子而言，半導(dǎo)體固態(tài)量子比特具有較長的相干時間，并且相逡逑對局域化。最后
【學(xué)位授予單位】：華東師范大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：O47

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9 馮Z腪

本文編號：2587486