Il rilevamento efficiente di singoli centri ottici è fondamentale per le applicazioni nell’informatica quantistica, nel rilevamento e nella generazione di singoli fotoni. Ad esempio, i centri di azoto vacante (NV) nei diamanti hanno fatto passi avanti nella misurazione del campo magnetico ad alta precisione. Il rilevamento dei centri NV si basa sull'osservazione della loro fluorescenza correlata allo spin.
Allo stesso modo, anche i centri ottici nel carburo di silicio e gli ioni delle terre rare nei solidi hanno meccanismi di rilevamento simili. Tuttavia, la lettura di questi sistemi richiede la raccolta di un numero sufficiente di fotoni come segnali di rilevamento, il che limita la fedeltà della lettura dello stato di spin. Al contrario, i metodi di lettura elettrica comunemente utilizzati nei dispositivi elettronici quantistici forniscono una maggiore fedeltà di lettura in intervalli di tempo più brevi.
Un gruppo di ricerca guidato dal Prof. Chunming Yin presso l'Università della Scienza e della Tecnologia della Cina ha recentemente ottenuto progressi nel campo della tecnologia quantistica basata sul silicio dimostrando il rilevamento rapido della fotoionizzazione di singoli Er 3+ ioni in un nano-transistor al silicio. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista National Science Review e il primo autore di questo articolo è il dottor Yangbo Zhang.
Il professor Chunming Yin e i suoi collaboratori hanno ottenuto per la prima volta il rilevamento della fotoionizzazione del singolo Er 3+ ioni in transistor a singolo elettrone a base di silicio nel 2013. Tuttavia, la velocità di lettura degli eventi di fotoionizzazione era significativamente limitata dalla larghezza di banda delle misurazioni della corrente CC.
In quest'ultimo lavoro, hanno utilizzato la riflettometria a radiofrequenza e hanno realizzato con successo il rilevamento rapido della fotoionizzazione di singoli Er 3+ ioni in transistor a singolo elettrone a base di silicio e ogni evento di ionizzazione può essere rilevato con una risoluzione temporale migliore di 100 nanosecondi. Sulla base di questa tecnica, hanno anche studiato la durata dello stato ottico eccitato del singolo Er 3+ ioni in nanodispositivi a base di silicio.
L'uso della tecnica di rilevamento della riflettometria a radiofrequenza su singoli centri ottici offre nuove possibilità per sistemi quantistici ottici scalabili. Inoltre, questo metodo è promettente per ottenere una lettura rapida di altri centri ottici singoli nei solidi, facendo avanzare così le applicazioni dei centri ottici singoli in sistemi quantistici scalabili e rilevamento ad alta precisione.
Ulteriori informazioni: Yangbo Zhang et al, Rilevamento della fotoionizzazione di un singolo ione Er3+ con risoluzione temporale inferiore a 100 ns, National Science Review (2023). DOI:10.1093/nsr/nwad134
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