在量子物理的奇異世界中，即使是微小的調整也能帶來巨大的回報。在一項新研究中，科學家們發現，僅僅將一種氫原子替換為稍重的氘原子，可以顯著提升矽在產生單光子的能力。這看似微不足道的化學調整，卻可能對量子計算機和超安全通信網絡產生重大影響。研究作者指出，「高效的單光子發射器對於量子技術，包括量子網絡和光子量子計算機來說非常重要。」這項研究挑戰了長期以來人們認為矽作為量子光源的效率不高的觀點，顯示出矽不僅是現代電子產品的支柱，甚至可能成為未來量子互聯網的動力。
這一發現的核心是一個名為 T 中心的微小缺陷。顏色中心是一種晶格中的小缺陷，此案例中包括了兩個碳原子和一個氫原子嵌入矽中。當該缺陷受到激發時，可以發射出一個單光子，這正是量子技術所需的。T 中心特別吸引人，因為它發出的光波長與光纖互聯網電纜（電信 O 波段）使用的波長相同，這意味著它可以直接與當今的通信基礎設施連接。然而，T 中心存在一個問題，即有時它會在不發光的情況下失去能量，這種現象稱為非輻射衰減。科學家們知道這種情況發生，但不明白為什麼或者如何阻止它。於是，研究人員決定尋找答案。
他們的研究始於同位素。T 中心由矽晶格中的兩個碳原子和一個氫原子組成，可以以不同的同位素形式生成。例如，氫可以是常見的輕同位素（氕）或稀有的重同位素（氘）。研究的主要作者之一 Moein Kazemi 向 Phys.org 表示，由於氘較重，這改變了原子在晶體內部的振動方式。為了仔細研究這一影響，研究作者首先需要獲得極為純淨的矽。他們的德國合作者培育了高純度的矽晶體，這些晶體最初是為了阿伏伽德羅計劃而開發的，該計劃旨在利用近乎完美的矽球重新定義千克。這些超乾淨的樣品非常適合研究微妙的量子特性。
研究人員然後通過高能粒子轟擊矽來創造 T 中心。轟擊後，他們小心地加熱和冷卻樣品，使缺陷正確形成。他們準備了三種類型的樣品：一種是自然氫（大多數為氕），第二種是故意掺入氘，使較重的同位素佔主導，第三種是富集碳-13，創造不同的碳同位素配置。為了清楚地觀察這些變體之間的微小差異，樣品被冷卻至低於 4 開爾文（-269.1°C 或 -452.5°F），使用液氦進行冷卻。在如此低的溫度下，原子振動顯著減慢，使得量子效應更容易測量。
樣品準備好後，研究團隊使用光致發光光譜學和傅里葉變換紅外光譜儀識別每個同位素變體的發射線。這些測量使他們能夠直接觀察缺陷內部的振動模式。他們發現，用氘替換氫後，碳-氫（C–H）鍵振動的能量降低。這個看似微小的變化卻至關重要，因為較低的振動能量抑制了不必要的衰減路徑，避免了能量的損失。為了測量每個 T 中心在發射光子之前保持激發的時間，團隊使用脈衝共振激光激發。通過精確調整激光，他們可以一次針對一個同位素變體。光子的到達時間使用時間分辨單光子檢測器進行記錄。
結果相當有趣。氘化 T 中心的激發態壽命是普通氕版本的 5.4 倍。事實上，其壽命幾乎接近完全不發生非輻射衰減的預期。此外，初步估計顯示，氘化 T 中心的效率可能超過 90%，甚至可能達到 98% 以上。這一巨大的差異揭示了研究人員所稱的巨大同位素效應，顯示能量損失與局部 C–H 鍵的振動有著密切的聯繫。來自美國海軍研究實驗室的合作者 Mark Turiansky 和 John Lyons 模擬了這一衰減過程，發現傳統的接受模式在這種情況下完全失效。「我們展示了一種非常簡單的替代方案，僅考慮 C-H 伸縮模式，便能很好地匹配實驗並重現強烈的同位素依賴性。」研究作者之一 Daniel Higginbottom 說道。
重同位素還改善了所謂的光學循環性，即系統可以被激發並發射光的次數，在必須重置之前。研究作者估計，氘化 T 中心的光學循環約為氕版本的 300 倍。這使得「單次讀出電子自旋成為可能，並可能加快對 T 中心的量子操作。」多年来，矽顏色中心因為被認為與鑽石等材料中的缺陷相比效率低下而被忽視。這項研究提供了矽能夠承載高效單光子發射器的強有力證據。由於 T 中心自然發射於電信 O 波段，它們非常適合於通過現有光纖在數十公里內分發量子信息。
有趣的是，參與此次研究的量子技術公司 Photonic Inc 已經開始將氘化 T 中心納入其開發流程，顯示出基礎研究如何迅速轉向實用技術。然而，這並不意味著研究部分已經結束。下一步，研究團隊正在進行全面的研究，探討 T 中心所有可能同位素變體的基本振動模式。這些測量將使研究人員能夠更精確地理解顏色中心的振動結構如何影響其光學特性。這項研究發表於《物理評論快報》期刊。
