代表研究人员实验的图形。信用:Lozovoi等。色心是吸收特定颜色可见光或辐射的晶体中的微小缺陷。这些缺陷通常以缺失原子或替代杂质的形式出现，可以在通常透明的材料中产生特征颜色。对半导体中色心如何影响电荷载流子的理解可以促进新的传感和量子器件的发展。然而，旨在研究色心的实验通常需要大量的缺陷集合，这些缺陷的相互接近和不受控制的相互作用会对观测产生意想不到的影响。
纽约市立大学、桑迪亚国家实验室、弗拉铁研究所和澳大利亚国立大学(ANU)的研究人员最近进行了一项研究，调查氮空位中心，这是钻石中著名的颜色中心。他们发表在《自然电子》杂志上的论文展示了钻石中不同NV缺陷之间电荷传输的光学激活和检测。
“几年前，我们有一个粗略的想法，即我们知道NV中心可以被光学自旋极化，我们也知道它们的电荷状态可以用光脉冲来控制，”进行这项研究的研究人员之一卡洛斯·梅里莱斯告诉TechXplore。“因此，我们设想这两种成分可以结合起来，在金刚石中注入自旋极化的电荷载流子(事实证明，金刚石是自旋电子学应用的一种近乎理想的材料，到目前为止，这种材料仍未被探索，正是因为自旋注入的困难。”
梅里莱斯在ANU与马库斯·多尔蒂讨论了这个想法，他们开始以不同的方式考虑电荷载流子。更具体地说，他们开始认为它们是一种“总线”，可以在颜色中心之间连贯地传输量子信息。
2016年，Meriles、Doherty和其他研究人员发表了一篇理论论文，将这一想法正式化。随后，他们进行了一系列旨在实验环境中实施的研究。他们最近的研究使这些想法更接近现实。
“由于钻石是一种透明的材料(即它不吸收可见光)，人们可以把NV中心(和其他‘颜色中心’)想象成被困在周围固体创造的某种‘惰性’环境中的虚拟原子，”Meriles说。"因此，系统能量是量子化的，人们可以在不同的能级之间用光来激发它."
如果研究人员用足够强的激光激发钻石或其他透明材料，第二个光子可以在先前被激发的NV中心有时间放松之前到达。如果NV最初带有过量的负电荷，这个过程会导致NV发射一个电子，或者如果NV最初处于中性状态，会导致一个空穴。
在他们的实验中，该团队使用两种技术，即共聚焦荧光显微镜和磁共振，在室温下成功地在金刚石中诱导了这一过程。共焦荧光显微术是一种显微成像技术，允许科学论者以高3D光学分辨率观察样品，而磁共振是一种著名的成像方法，需要将样品暴露在磁场中。
“如果用典型的文献值来计算从几微米之外的原子源捕获电荷载流子的概率，人们会发现机会相当于中了彩票，”梅里莱斯研究小组的博士后、该研究的主要作者阿图尔·洛佐沃伊(Artur Lozovoi)说。"因此，对这一过程的观察本身就非常令人惊讶."
在他们的论文中，研究小组认为他们的观察可以用所谓的“里德堡态”的中间形成来解释。里德堡态是在分子或原子中观察到的量子态，其中粒子的轨道类似于氢原子的轨道，并且非常大。
“如果情况确实如此，也许有可能在固态中重现原子物理学家在真空中产生的东西，即量子态足够大的颜色中心阵列，这样它们就可以相互作用，”梅里莱斯说。"然而，我强调，这只是目前的假设."
未来，这组研究人员引入的激活和检测NV中心之间电荷传输的策略可以为更多关注色中心及其如何捕获载流子的研究铺平道路。此外，该团队计划进行进一步的实验，旨在实施和检查不同温度下的相同策略。
“虽然这些实验是在环境条件下进行的，但我们现在正在调整我们的设置，这样我们就可以在低温下工作，我们认为，在低温下，我们可能会看到一种不同的状态(电荷载流子‘弹道式’传播，而不是‘扩散式’”，Lozovoi补充道。“如果是这样，我们可能会找到机会，更有效地引导承运人从一个NV到另一个NV(从‘概率性’运输过程逐渐过渡到几乎‘确定性’运输过程)。在我们接下来的研究中，我们还打算更好地了解这些温度下的自旋相关过程，以及外部施加磁场的影响。”
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