​纳米光子器件，登上Nature！

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原创丨 彤心未泯 （学研汇 技术中心）

编辑丨 风云

固态原子缺陷是长距离量子通信的量子中继器网络的关键组成部分。稀土离子（特别是Er ³⁺ ）因其电信波段的光学跃迁，可以在光纤中进行长距离传输，引起了研究人员的广泛关注。然而，由于存在光谱扩散阻碍，无法区分单光子的产生，基于稀土离子的中继器节点的发展受到严重阻碍。

有鉴于此， 普林斯顿大学Jeff D. Thompson 等人 将Er ³⁺ 注入到 CaWO ₄ 中，实现了非极性位点对称性、核自旋的低退相干性和不含背景稀土离子等优点集于一体的新材料，可以显著减少光谱扩散 。对于浅注入离子与具有大Purcell因子的纳米光子腔耦合，作者观察到 150kHz 的单扫描光学线宽和 63kHz 的长期光谱扩散，两者都接近 21kHz 的 Purcell 增强辐射线宽，可以实现连续发射的光子之间的Hong–Ou–Mandel干涉的观测，其可见度为V=80(4)%。此外，作者还观察到自旋弛豫时间T _1,s =3.7   s和T _2,s >200   μs，后者受到晶体中顺磁杂质的限制。该研究 标志着使用单个Er ³⁺ 离子构建电信级量子中继器网络迈出了显著的一步 。

器件结构

作者通过能量为35keV的离子将Er注入高纯度CaWO ₄ 制备了本工作的研究样品，光谱研究表明通过退火可以有效消除注入损伤。接着，作者使用PLE光谱对单个离子进行光谱解析，结果表明离子注入产率较高，证实了通过离子注入法成功制备了 Er ³⁺ :CaWO ₄ 器件 。

图 Er ³⁺ :CaWO ₄ 器件结构

光子高效收集

将Er ³⁺ 离子耦合到腔中可以进行光学准备和电子自旋测量。作者演示了自旋初始化和读出，平均保真度F=0.972。得益于铒腔系统的高量子效率和收集效率， P ₁ 和信号背景比较通过频率转换氮空位中心获得的结果大一个数量级以上， 单次扫描的典型线宽约为150kHz， 比纳米光子腔中单个Er ³⁺ 离子的线宽提高了 100 倍 ，这是在纳米光子器件中观察到的固态缺陷的最窄光学跃迁。

图  从腔耦合离子中高效收集光子

不可区分光子产生

作者使用不平衡马赫-曾德尔干涉仪（MZI）对时滞光子进行HOM双光子干涉测量，探测了光子的不可区分性。在实验中观察到高度的不可区分性。进一步通过可见度V量化不可区分性，得到V=80(4)%。

图  不可区分光子的产生

自旋动力学

最后，作者研究了Er ³⁺ 的自旋性质，观察到明显扭曲的磁矩。自旋弛豫时间为T _1,s =3.7   s，且受到具有T _1,s ∝1/B ⁵ 依赖性的直接过程的限制。Ramsey和 Hahn回波实验分别给出T ^* _2,s =247   ns和T _2,s =44   μs。作者表明主晶体或表面上的顺磁性杂质是退相干的主要来源，推断密度约为3×10 ¹⁶   cm ^{− 3} 。

图  自旋动力学

参考文献：

Ourari, S., Dusanowski, Ł., Horvath, S.P. et al. Indistinguishable telecom band photons from a single Er ion in the solid state. Nature 620, 977–981 (2023).

DOI：10.1038/s41586-023-06281-4

https://doi.org/10.1038/s41586-023-06281-4