我室石发展教授团队在碳化硅量子色心研究中取得进展。研究团队揭示了两类重要的量子传感器PL5和PL6色心长期未明的原子结构，确认二者均为氧-硅空位复合缺陷，并通过氧离子注入将制备产率提高一个数量级以上（图1）。相关研究成果以“Oxygen-vacancy origin of robust surface-proximity spin centers in silicon carbide”为题发表于《The Innovation Physics》创刊号，并入选首刊封面导读。德国斯图加特大学Jörg Wrachtrup教授为该成果撰写了题为“Silicon carbide turns quantum”的新闻评述，给予高度评价。
图1 研究路线：关联成像、单自旋谱学与第一性原理计算共同锁定PL5/PL6的原子结构，并进一步指导氧离子注入实现高效制备。（论文Graphical Abstract）
一块晶体中的原子缺陷，能否成为观察量子世界的“眼睛”？金刚石氮-空位（NV）色心已经给出了肯定答案：它既能充当量子比特，也能在室温下探测纳米尺度的磁场、电场和温度，推动量子信息与量子传感从概念走向应用。近年来，碳化硅中的多种量子色心相继被发现。与金刚石相比，碳化硅拥有成熟的晶圆级生长、掺杂和微纳加工产业基础，也更容易集成到电子和光子器件中。此外，多种碳化硅色心都可以发射近红外光，在生物组织成像、远距离光子传输和量子网络中具有独特潜力。
在目前已报道的碳化硅色心中，PL5和PL6格外引人注目。室温下，单色心可同时实现数十万每秒的荧光计数率和超过20%的光探测磁共振（ODMR）对比度；研究发现，它们即使位于距表面约2纳米处，仍能保持优异的电荷稳定性和自旋相干性质。这些特性让它们成为近表面量子传感和自旋-光子接口的理想候选者。然而，一个现实瓶颈始终存在：PL5和PL6的制备产率远低于其他空位类色心，难以形成高纯度传感阵列，也难以高效集成到纳米柱和光学微腔中，这限制了其在量子传感和可扩展量子信息中的应用。
归根结底，这一制备瓶颈指向一个悬而未决的结构谜题：PL5和PL6到底由哪些原子构成？自2011年被发现以来，由于它们与双空位色心具有相似的光学和自旋性质，所以长期被笼统归为“双空位变种”（modified divacancies）。在这一结构认识下，先前的制备通常沿用制造双空位的思路，采用氮、碳、氦等离子注入或电子辐照产生空位，但PL5/PL6的形成产率始终很低。此后广为接受的模型进一步认为，它们是受堆垛层错调制的双空位，但仍然缺少决定性的原子尺度证据。
为了检验上述主流模型，研究团队首先将单个PL5/PL6的位置与同一区域的堆垛层错逐点配准。结果发现，有无层错的区域具有相近的色心密度，说明宏观堆垛层错并不是它们形成的必要条件。随后，在相同注入剂量和退火条件下，氧离子注入使PL5和PL6的形成产率相较氮离子注入分别提高11倍和19倍（图2A）。与过去单纯制造空位的思路不同，这一结果证实了引入氧的必要性，也为后续结构导向的高效制备提供了明确靶点。
但仅凭产率变化，还不足以对结构中氧的存在“一锤定音”。进一步的突破来自氧同位素留下的磁共振指纹：常见的16O核自旋为0，不产生超精细多重峰；17O核自旋为5/2，如果位于缺陷核心，就会使ODMR谱分裂为六条谱线。如图2B、C所示，实验观测到17O注入制备的PL5和PL6出现了清晰的六重分裂，耦合强度分别为2.50 MHz和3.32 MHz，直接证明氧是PL5和PL6色心的核心组成元素（图2B、C）。
图2 氧同位素指纹与氧注入产率提升。A，氮、氧注入制备示意及对应的荧光图。相同注入剂量和退火条件下，氧注入显著提高色心产率；橙色圆点与蓝色方块分别标记PL5和PL6色心。B、C，分别为16O与17O注入制备的PL5/PL6色心ODMR谱，17O引起六重超精细分裂。
锁定氧元素后，研究团队进一步利用单自旋ODMR测量局域13C和29Si核自旋的超精细分布，结合第一性原理计算，将PL5和PL6的原子结构分别确认为OCVSi (kh)和OCVSi (hh)，即占据碳位的氧原子OC与相邻硅空位VSi组成的复合缺陷。
国际著名的固态自旋量子信息领域先驱、德国斯图加特大学Jörg Wrachtrup教授为此撰写题为“Silicon carbide turns quantum”的新闻评述，评价称“作者解决了关于4H‑SiC中PL5和PL6中心微观起源这一长期悬而未决的问题”，“对量子传感影响重大”，“这项工作是一项具有高度重要性的成就。它解决了碳化硅缺陷物理中的一个核心问题，将对微观结构的认识直接转化为提升量子器件制造的实际策略。该研究有望激发大量后续工作，并进一步确立碳化硅作为可规模化量子传感、集成量子光子学以及未来量子网络重要平台的地位。”
展望未来，碳化硅兼具生物惰性、近红外读出和晶圆级工艺优势，研究团队近期已经利用近表面碳化硅量子传感器将纳米核磁共振推进至单蛋白尺度与单质子核自旋灵敏度，有望用于无损生物成像、自由基检测和单分子核磁共振，并推动片上量子传感阵列的发展。
我室博士研究生陈誉、研究员张琪、博士后刘明哲和硕士研究生吴俊达为论文共同第一作者，石发展教授和张琪研究员为共同通讯作者。段昌奎教授为论文提供了重要理论支持。研究工作得到了国家自然科学基金、中国科学院、科技部、新基石科学基金会等资助。
论文链接：https://doi.org/10.59717/j.tip.2026.100013
评述链接：https://doi.org/10.59717/j.tip.2026.100003
