2019年12月6日，美国芝加哥大学和美国阿贡分子工程与材料科学中心国家重点实验室David D.Awschalom教授团队在世界顶级期刊《Science》在线发表名为“Electrical and optical control of single spins integrated inscalable semiconductor devices”的研究文章，引入了一种对环境的电调谐通用的技术，可以用于半导体中的各种量子发射器，实现单镜头读出和纠缠的关键，可能会带来量子材料和量子设备的更新。

研究预览：碳化硅中的自旋缺陷具有特殊的电子自旋相干性和近红外自旋光子界面的优点，具有类似特点的所有材料都适合应用在现代半导体制造行业中。利用这些优势，该团队将高度一致的单中性剥离自旋集成到市售的p-i-n结构中，并制作了二极管来调节缺陷的局部电环境。这些设备支持确定性的电荷状态控制和超过850千兆赫的斯塔克移动。结果表明电荷损耗会导致光学线宽缩小50多倍，接近寿命极限。这些结果证明可以采用设计固态发射器的的电环境和使用经典的半导体器件控制可扩展、自旋为基础的量子系统的新方法从而减少光谱扩散中普遍存在的问题。

通过掺杂SiC脱色剂的共晶体生长而形成4H-SiCp-i-n二极管，然后分离和控制单个VV0。在生长后，该团队对样品进行了电子辐照和退火处理，以产单一的、孤立的VV0缺陷；制作了微波带状线和欧姆接触垫，允许自旋流形和电选门。与SiC中的其他缺陷如孤立硅空位相比，空双位在1600℃以上时，仍然稳定存在，这使得它可以与器件处理和高温处理相结合形成欧姆接触。

该装置的空间光致发光（PL）扫描显示，孤立的发射源对应于单个的VV0，二阶相关测量结果证实了这一点。观察到的缺陷的深度位置与i型 一致，这是可以预测到的，因为形成能的计算表明中性电荷态在能量上是有利的。此外，由于二极管在低温下的高整流性，使得反向偏置较大，使得低电流条件下成为可能。

商用半导体器件中单个VV0的隔离

因为SiC中的（hh）和（kk）双空位是沿着c轴（生长轴）对称的，所以二极管的几何形状允许较大的电场，这些电场很大程度上保留了缺陷的对称性，因此宽VV0光学结构的优化是可行的。此外，可以使用掺杂层作为原位透明的本地接触来进行斯塔克调整和控制悬浮光子晶体的局域缺陷或声子结构，使复杂的混合电子、光子和声子器件成为可能。

在p-i-n结器件中，该团队应用了高达420V的反向偏压。结果显示同一类型的不同缺陷和等不对称晶格点出现了几百千兆赫的完全调谐，阈值通过后发生了斯塔克位移，范围为0.4 ~ 3.5GHz/V。

p-i-n二极管的斯塔克转变

调整固态发射器的电环境优化线宽

不受控制的波动电气环境在旋转系统中是一个常见的问题，它们会导致反相和在量子发射器中一样，它们导致了光谱结构的扩散并且引起更大、不均一的加宽。例如，只添加和删除一个100 nm的电子电荷会引起VV0的光学精细结构偏移约100 MHz。

在本文中，该团队介绍了一种技术减轻光谱扩散。通过在我们的装置上施加电场，耗尽缺陷的充电环境，获得20±1MHZ的单扫描线宽，不需要进行彻底的搜索。不需要进行彻底的搜索，就可以获得20条单扫描线宽。这种单线宽的减少与基于横向不对称的缺陷的电压是不同的。

单个VVo的光电电荷控制

同样，该团队通过改变重新光子电离的镭射速率研究了电荷重置动力学。该团队发现了一个近似线性的规律（m = 0.98±0.02），这种重新调整率的线性关系可以通过两个可能的模型 进行描述。其中一种可能性是暗电荷态是一个光子被雷射直接电离的状态。另一个可能的解释是附近的电子陷阱被这种颜色电离和自由电子通过双空位被捕捉的情形从而被电离，从黑暗状态转变成光亮状态。

VV0的电离和电荷重置率

研究总结：文中描述的对环境的电调谐是一种新的通用的方法，可以用于半导体中的各种量子发射器。在半导体中存在特定的弥散、电荷稳定性的问题甚至有电场波动限制自旋干扰的情况发生，这种通用的方法可以很好的解决这些问题。而且，利用p-i-n二极管作为试验对象研究了电荷动态特性，该团队开发了一种在电场下对单个电极的电荷状态进行决定性光控制的技术。

研究展望：这项技术是实现单镜头读出和纠缠的关键，通过使电荷控制和提高光子的不可分辨性，使掺杂半导体结构成为理想的缺陷量子平台。更为重要的是，这项工作还使纳米级电场、电荷的高灵敏度测量、工作装置中的分布和促进自旋到电荷的转换增强的量子传感和电子读出协议成为可能。最后，将VV0引入到经典的碳化硅半导体如二极管、金属氧化物半导体场效应晶体管等设备中，甚至会是下一代量子设备成为可能。

DOI：10.1126/science.aax9406