シリコンカーバイドカラーセンター

シリコンカーバイドの色中心は、シリコンカーバイドの結晶格子内の点欠陥で、色中心として知られています。これらの色中心にはさまざまな用途があり、その一部はフォトニクス、半導体、計測や量子通信などの量子アプリケーションにあります。材料の欠陥にはさまざまな用途がありますが、シリコンカーバイドの欠陥、つまり色中心が重要である理由は、これらの色中心の多くの重要な特性によるものです。材料としてのシリコンカーバイドは、2次非線形性、光透過性、2光子吸収が低いという特徴があります。これにより、シリコンカーバイドは、ナノファブリケーション、統合量子フォトニクス、大規模ウェーハの量子システムなど、さまざまなものの代替プラットフォームとして実現可能です。^[1]

シリコンカーバイドカラーセンターの製造方法は主に3つあります。^[2] 3つの方法は、電子照射、イオン注入、フェムト秒レーザー書き込みです。

この技術は、材料を高度にイオン化する電子ビームにさらすことで機能します。これにより、材料自体の電子が叩き出され、色の中心（または欠陥）が生成されます。^[3]ただし、このプロセスには大量のエネルギーが必要であり、通常、ほとんどの材料のエネルギーの下限は9MeVです。^[3]

イオン注入は通常半導体のドーピングに使用されますが、色中心を作成するためにも使用できます。イオンは最初に特定のエネルギー（通常はMeV範囲）まで加速されます。次に、このイオンは材料に加速され、材料にイオンが注入され、材料の組成が変化して色中心が作成されます。^[4]

非線形レーザー書き込みプロセスと適切な収差補正を利用することで、結晶の任意の深さに欠陥を生成することができます。このプロセスでは、スピンと光コヒーレンス特性が維持されます。^{[5] [6]このプロセスは、}フェムト秒レーザープロセスによる多光子イオン化によって機能します。この欠陥製造方法は、シリコンカーバイドだけでなく、他の材料にも使用できます。^[7]

欠陥を作製するための他の方法としては、中性子照射、陽子照射、集束Siビームなどがある。^[1]

現在^{[いつ? ]}、使用されるエネルギーやプロセスの複雑さを軽減するための新しい製造方法も実験されています。新しい方法の1つは、ナノ秒レーザーを使用したレーザー書き込み方法を利用する新しい方法です。^[2]

シリコンカーバイドには複数の種類の欠陥があり、その一部を以下に示します。^{[説明が必要]}

• V _si ^(-) (TV1-TV3)
• V _si V _C ⁽⁰⁾
• ^0件のコメント
• キ5
• CAV (炭素反サイト空孔対)
• SiC( _D1 )
• N _C V _Si ^(-)

遷移金属の色中心:

• TI ⁽⁰⁾
• Cr ³⁺
• V ^(-)、V ⁽⁰⁾
• 月⁽⁰⁾
• エル³⁺

TV1を量子ビットとして研究したところ、TV2よりも優れたスピン-光子界面が得られた。^{[8] [9]しかし最近、} _Vsi ^(-)の量子ビットとしての役割が完全に特定された。^[10]

最近^{[いつ? ]}、シリコンカーバイドのこれらの色中心は、非古典的な光源のための最良の単一光子エミッターの 1 つになる可能性を示しています。^{[11]伝統的に、減衰レーザーは}単一光子源の代替でした。これは量子暗号には機能しますが、部分的な代替であり、単一光子を生成しないため、最終的には単一光子源の代替にはなりませんでした。^{[11]通常、単一光子を生成するには、}自発的なパラメトリックダウンコンバージョンとエピタキシャル量子ドットの 2 つの主な方法があります。^[要出典]

自発的なパラメトリックダウンコンバージョンでは、単一光子は1秒あたり最大10 ^{6光子の速度で生成されます。 [12] [13] [14] [11]}このアプローチの欠点は、要求に応じて単一光子を生成する方法がないことです。このため、このタイプの生成を実際に使用することは困難です。^{[引用が必要]}

エピタキシャル量子ドットは、電気ポンピング下に置かれると例外的に単一光子を生成することが示されている。しかし、これは非常に低い温度で機能するため、実験で実際にこれらのアプリケーションを実行することは困難である。^{[11] [15] [16] [17]}

シリコンカーバイド、ダイヤモンド、その他の関連材料の色中心は、光および電気ポンピング下でより高い温度で動作できるため、他の2つの従来のアプローチよりも実用的であると考えられます。^[11]

シリコンカーバイドは、相補型金属酸化物半導体適合材料と呼ばれる材料ファミリーに属していることと、高品質の単結晶ウェーハの製造における信頼性から、現在半導体業界ですでに使用されています。^[1]半導体は定義上すでに点欠陥を持っているため、一部は単一光子源などの目的に使用できます。^{[引用が必要]}

単一欠陥レベルで研究すると、単一のエミッターを分離することができます。この結果、シリコンカーバイドの色中心は量子暗号プロトコルのアプリケーションに使用できます。^{[1]この一例として、2014年に行われたダイヤモンドの}窒素空孔中心に関する研究があります。これはシリコンカーバイドの色中心に似ており、ダイヤモンドでは窒素空孔が色中心であるという新しい結果を示しました。これは蛍光不純物でもあり、多くの用途があります^[18]

電子スピン状態と単一光子量子状態間の量子もつれは、次の 2 つの条件が満たされたときに発生します。

1. 単一光子の量子状態は、シリコンカーバイドの色中心の電子スピン状態と相関関係にある。
2. この相関関係は、色中心の近くの核スピンに保存することができる。

この量子もつれにより量子ネットワークの構築が可能になり、量子通信、量子メモリ、計測が可能になります。^[1]

色中心が最初に励起状態になると、励起状態から基底状態への崩壊によって光子が放出されます。この光子は、他の静磁場や可変磁場の発生源と相互作用します。その結果、スピン遷移周波数とコヒーレンス時間が変化し、この効果は量子センシングに使用されます。^[1]

色中心の研究の多くは、もともとシリコンカーバイドではなくダイヤモンドを使って行われていました。比較すると、ダイヤモンドの窒素空孔はシリコンカーバイドの二空孔と似た量子特性を持っています。ダイヤモンドの空孔はシリコンカーバイドの空孔よりも量子特性が優れている可能性がありますが、シリコンカーバイドとその色中心の主な利点の 1 つは、ダイヤモンドに比べてスケーラビリティが高く、製造が容易なことです。さらに、シリコンカーバイドは、ダイヤモンド色中心の製造中に起こり得る照射中の黒鉛化などの製造上の複雑さに悩まされることはありません。[^要出典]