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用于量子和光学应用的合成金刚石材料及其制作方法

阅读：459发布：2020-08-11

专利汇可以提供用于量子和光学应用的合成金刚石材料及其制作方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且合成金刚石材料，其包含一个或多个自旋缺陷，该一个或多个自旋缺陷具有不大于100MHz的半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度。用于获得这样的材料的方法包括多阶段退火过程。，下面是用于量子和光学应用的合成金刚石材料及其制作方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.合成金刚石材料，其包含一个或多个自旋缺陷，该一个或多个自旋缺陷具有不大于
100MHz的半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度。
2.根据权利要求1的合成金刚石材料，其中该半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度不大于80MHz、60MHz、50MHz或40MHz。
3.根据权利要求1或2的合成金刚石材料，其中在至少10、20、30、50、75、100、500或
1000秒内将该半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度平均。
4.根据权利要求1至3中任一项的合成金刚石材料，其中在至少10、20、30、50、75、
100、500或1000次光谱扫描内将该半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度平均。
5.根据任一项在前权利要求的合成金刚石材料，其中该一个或多个自旋缺陷位于离该合成金刚石材料的表面不大于1μm、500nm、200nm、100nm、50nm、30nm、10nm或5nm。
6.根据任一项在前权利要求的合成金刚石材料，其中该合成金刚石材料包含自旋缺陷
5 2
层，所述层包含至少10个自旋缺陷/cm 并且具有不大于1μm的厚度，其中所述层中的自旋缺陷具有不大于100MHz、80MHz、60MHz、50MHz或40MHz的半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度。
7.根据权利要求6的合成金刚石材料，其中所述层的厚度不大于500nm、200nm、100nm、
50nm、30nm、10nm或5nm。
5
8.根据权利要求5至7中任一项的合成金刚石材料，其中所述层包含10 个自旋缺陷
2 11 2
/cm至10 个自旋缺陷/cm 。
9.根据任一项在前权利要求的合成金刚石材料，其中至少50％、60％、70％、80％或
90％的自旋缺陷具有小于100MHz、80MHz、60MHz、50MHz或40MHz的总光谱谱线宽度。
10.根据任一项在前权利要求的合成金刚石材料，其中该一个或多个自旋缺陷具有在室温下至少100μs、300μs、500μs、1ms、2ms、5ms、10ms、50ms或100ms的消相干时间T2。
11.根据任一项在前权利要求的合成金刚石材料，其中该合成金刚石材料为CVD合成金刚石材料。
-
12.根据任一项在前权利要求的合成金刚石材料，其中该一个或多个自旋缺陷为NV 自旋缺陷。
13.根据任一项在前权利要求的合成金刚石材料，其中该合成金刚石材料包含不大于
100ppb、80ppb、60ppb、40ppb、20ppb、10ppb、5ppb或1ppb的单取代氮浓度。
14.根据任一项在前权利要求的合成金刚石材料，还包含在合成金刚石材料中制作的一个或多个光子结构。
15.根据权利要求14的合成金刚石材料，其中该一个或多个自旋缺陷位于离该一个或多个光子结构不大于1μm、500nm、200nm、100nm、50nm、30nm、10nm或5nm或位于该一个或多个光子结构内。
16.由合成金刚石材料制作的光子器件结构，所述光子器件结构包含由包括一个或多个光子结构的根据权利要求1至15中任一项的合成金刚石材料制作的光子器件层，该光子结构或每个光子结构包含设置在其中的至少一个自旋缺陷，其中所述至少一个自旋缺陷具有不大于3.5GHz的半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度和不大于100MHz的单次扫描谱线宽度。
17.根据权利要求16的光子器件结构，其中所述至少一个自旋缺陷具有不大于3.0GHz或2.6GHz的半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度。
18.制作根据权利要求1至15中任一项的合成金刚石材料或根据权利要求16或17的光子器件结构的方法，该方法包括：
选择包含不大于100ppb、80ppb、60ppb、40ppb、20ppb、10ppb、5ppb或1ppb的单取代氮浓度的合成金刚石材料；和
使用多阶段退火过程将该合成金刚石材料退火：
在350至450℃范围内的温度下持续至少2小时的第一退火步骤；
在750至900℃范围内的温度下持续至少2小时的第二退火步骤；和
在1150℃至1550℃范围内的温度下持续至少2小时的第三退火步骤。
19.根据权利要求18的方法，其中进行第一退火步骤持续至少4小时、6小时或8小时。
20.根据权利要求18或19的方法，其中进行第二退火步骤持续至少4小时、6小时或
8小时的时间段。
21.根据权利要求18至20中任一项的方法，其中进行第三退火步骤持续至少4小时、
6小时或8小时的时间段。
22.根据权利要求18至21中任一项的方法，其中在至少1200℃、1300℃或1350℃的温度和/或1500℃、1450℃或1400℃的温度下进行第三退火步骤。
23.根据权利要求18至22中任一项的方法，还包括在多阶段退火过程之前将氮层注入该合成金刚石材料中。
24.根据权利要求18至23中任一项的方法，还包括在多阶段退火过程之前辐照该合成金刚石材料以形成空位缺陷。
25.基于金刚石的量子体系，包含：
根据权利要求1至15中任一项的合成金刚石材料或根据权利要求16或17的光子器件结构；
配置成光学激发合成金刚石材料或光子器件结构中的一个或多个自旋缺陷的激发装置；和
配置成探测来自该一个或多个自旋缺陷的光子发射的探测器装置。
26.根据权利要求25的基于金刚石的量子体系，
其中将该激发装置配置成单独处理至少两个自旋缺陷，
其中该基于金刚石的量子体系还包含配置成将光子发射与该至少两个自旋缺陷重叠的光子干涉装置，并且
其中将该探测器装置配置成探测在通过光子干涉装置之后来自该至少两个自旋缺陷的光子发射，其中将该探测器装置配置成分辨光子探测时间中足够小的差异，使得来自至少两个合成固态发射体的光子发射为量子力学上不可区分的，导致来自不同自旋缺陷的不可区分的光子发射之间的量子纠缠。

说明书全文

用于量子和光学应用的合成金刚石材料及其制作方法

发明领域

[0001] 本发明涉及用于量子和光学应用(例如量子光学、量子信息加工、量子密钥分配、单光子源、量子中继器和/或基于量子的传感器件例如磁强计)及其制作方法。某些实施方案涉及合成和随后处理金刚石材料以便由设置在该合成金刚石材料内的自旋缺陷提供改进的发射特性的方法。特别的实施方案涉及化学气相沉积(CVD)的金刚石材料。

[0002] 发明背景

[0003] 与光子强烈结合的量子发射体(包括碱原子、捕获的离子、固态缺陷和量子点)在光子计算、量子信息加工、量子传感和计量学和量子网络中具有广泛的技术应用。对于大多数这些应用的要求是光子具有高可能性与发射体相互作用(发射体具有大的吸收横截面)，并且具有高可能性被收集。满足这些要求的一个主要前提是该发射是受傅立叶变换限制的，即该发射的谱线宽度仅由激发态的寿命确定。当谱线宽度比这个受变换限制的谱线宽度更宽时，额外的相移导致吸收横截面的减小和有效收集效率的降低。较宽的谱线宽度可为由与光子的结合、光谱扩散或其它非辐射衰减通道所致。

[0004] 可使用良好地集中于固态材料中的单层的具有受变换限制的谱线宽度的量子发射体来构造使强烈的单光子非线性成为可能的器件。通过将量子发射体与单一模式波导耦合，例如可以实现单光子晶体管，在该单光子晶体管中通过发射体的内部状态控制一个光子的增殖，而这进而由另一个光子操纵。这样的器件对于光子计算平台是关键的构造单元。

[0005] 此外，量子发射体例如金刚石中的氮-空位(NV)中心可用作纳米级磁强计，并且提高光子收集效率可剧烈地改进灵敏度。可使用具有受转换限制的零声子谱线(ZPL)的NV中心以高灵敏度探测外部自旋。对于这种应用，NV集中接近金刚石表面也是重要的，因为来自外部来源的磁场随着距离快速衰减。

[0006] 另外，具有受转换限制的谱线宽度的NV中心可用于混合量子体系中，在该混合量子体系中NV中心与另一个量子系统例如用于微波至光子转化的超导电路、用于光子-光子转化的光机体系和光电器件耦合。

[0007] 认为来自多个光子发射体的多光子量子纠缠对于某些量子加工应用是关键的要素。为了实现这样的纠缠需要来自不同发射体的光子为量子力学上不可区分的。

[0008] 已知来自多个气态发射体的多光子量子纠缠，包括来自陷阱中的单个原子/离子的发射。这通过如下实现：由气态发射体产生在带宽、频率和极化方面是相同的光子发射，使得来自不同发射体的光子为量子力学上不可区分的。可使这些相同的光子在分束器中重叠以实现远程量子纠缠。

[0009] 前述方法对于固态发射体是有问题的。这是因为固态体系中光学转变的能量由于固态晶体体系内的应变和电子环境的变化而改变。固态发射体的发射特性的差异可由杂质、内部晶体缺陷例如位错、外部缺陷例如由加工损伤所致的那些、和/或其它外部缺陷例如通过电场的Stark调谐(tuning)引起。因此由两个不同的固态发射体发射的光子在带宽、频率和极化方面改变并且为量子力学上可区分的。因此，这样的光子在分束器或相当的装置上重叠时不经历量子纠缠。

[0010] 前述问题的一个解决方案是将用于探测来自光子发射体的光子的探测器装置的分辨率降低至来自不同来源的光子对于探测器来说是不可区分的程度。例如，通过使用具有高时间分辨率的探测器，这进而导致低频率分辨率，这可使光子不可区分。然而，较高的计时分辨率需要每个二进制中计数率高于噪音例如暗计数，并且来自固态材料中的缺陷的-单光子发射可为非常弱的。例如，金刚石材料中光子发射的氮-空位缺陷(NV)，其为固态量子加工应用的主要候选物，甚至在低温下仍然展现出与0.05级别的Debye-Waller因子相关的宽光谱发射。零声子谱线(ZPL)中单个光子的发射那么是典型的十万个光子每秒的级别。由于差的收集效率通常探测仅约0.1－1％的这种发射，导致低计数率。这样的计数率对于在合理的数据采集时间内基于使用高时间分辨率(即低频率分辨率)探测器的光子干涉实现先进的量子信息加工协议是不充足的。

[0011] 事实上，前述议题是有问题的：实际上直到2011年还没有证明来自多个固态量子寄存器的多光子量子干涉(Phys.Rev.Lett.108,043604(2012)。在这个方面，应注意到固态量子寄存器可包含结合在一起的核自旋和电子自旋两者。电子自旋可充当具有光学自旋态探测和快速的高精确相干操纵的控制量子位。核自旋可充当记忆量子位，其具有与周围环境的弱相互作用。结合在一起的电子自旋和核自旋可形成量子寄存器。这样的量子寄存器的实例是金刚石材料中的氮-空位缺陷，其具有的可分辨的电子自旋态是光学上可寻址的13
并且与氮原子核和/或周围金刚石晶格中的 C原子核的核自旋态耦合。应注意的是这种类型的量子寄存器不同于仅包含单个自旋发射体(去耦合态)的系统或不包含可被分辨来充当量子寄存器的自旋态的发射体。

[0012] 除了上述以外，注意到已由更简单的固态体系例如量子点、吸附到表面上的单分子和ZnSe中的F 掺杂剂观察到多光子干涉[例如参见R.Lettow等人,Physical Review Letters 104(2010)；Patel 等人 ,Nature Photonics 2010,DOI:10.1038/NPHOTON.2010.161；Sanaka 等人,PRL 103,053601(2009)；和 Flagg等人 ,Phys.Rev.Lett.104,137401(2010)]。然而，由于先前描述的问题，迄今为止实际上还没有证明来自多个自旋分辨的固态量子寄存器的多光子量子干涉。III-V 半导体中的量子点涉及致密的核自旋浴中的电子转变并且因此不适合用于需要核自旋记忆量子位的量子信息加工应用。吸附到表面上的单个分子不展现适合用于信息加工的自旋分辨的发射。此外，表面结晶的单个分子体系是固有地脆弱的体系，其可不适合用于商业器件应用。没有证明ZnSe中的F掺杂剂包含自旋分辨的固态量子寄存器，其中可分辨的电子自旋态与一个或多个核自旋耦合。

[0013] 与上述相比，2011年对于CVD合成金刚石材料中的NV-自旋缺陷证明了来自多个自旋分辨的固态量子寄存器的多光子量子干涉。这通过提供包括以下特征的组合来实现：

[0014] (i)合成非常高纯度、低应变的CVD合成金刚石材料，该材料包含在相对均匀的电-子和应变环境中的NV自旋缺陷；

[0015] (ii)在该高纯度、低应变的CVD合成金刚石材料内选择具有几乎相同频率的两个-NV自旋缺陷；

[0016] (iii)在该高纯度、低应变的CVD合成金刚石材料中对每个所选择的NV-自旋缺陷-制作固体浸没透镜以增加由NV自旋缺陷发射的光子的光学外耦合；

[0017] (iv)Stark调谐NV-缺陷以减少两个NV-自旋缺陷之间的频率差异；

[0018] (v)使用配置来分离零声子NV-谱线发射与声子边带发射的分色镜来过滤由两个-所选择的NV缺陷发射的光子；

[0019] (vi)使用极化分束器进一步过滤发射的光子；

[0020] (vii)在纤维分束器上使经过滤的光子与每个NV-自旋缺陷重叠；和[0021] (viii)使用探测器装置探测经调谐和过滤的光子发射，将该探测器装置配置成分-辨光子探测时间的足够小的差异，使得来自NV自旋缺陷的经调谐和过滤的光子发射是量-
子力学上不可区分的，导致来自两个NV自旋缺陷的不可区分的光子发射之间的量子干涉。

[0022] 前述方法在说明由可用于量子加工应用的固态发射体实现多光子干涉的方法方面证明是成功的。然而，经调谐和过滤的光子发射仍然是相对弱的，相对低比例的发射的光子被探测到，导致低的光子计数率和相对长的数据采集时间。对于商业器件，进一步增加光子计数率和减少数据采集时间会是所需的。

[0023] 因此，仍然需要提供能够由多固态量子寄存器在较快的数据采集时间下提供多光子量子干涉的器件。

[0024] 在这个方面，相对于每个固态光子发射体的天然发射谱线宽度而言不均匀的宽化和光谱变化将限制量子干涉的可观察性，因为发射的光子将在一定频率范围内传播，使得明显比例的光子将为量子力学上可区分的。如先前描述的，调谐和过滤发射可与合适配置的探测器组合使用以观察量子干涉，但是在这样的方法中抛弃了明显比例的光子，导致相对低的光子计数率和相对长的数据采集时间。因此，提供包含具有较窄的发射谱线宽度以便减少或消除对于调谐和过滤发射来在较高光子计数率和减少的数据采集时间下实现多光子干涉的需要的自旋缺陷的合成金刚石材料。

[0025] 可将来自NV-的荧光分离成两种组分(在它们之间具有标准分支比)：零声子谱线(ZPL)和声子边带(PSB)。如测量的，典型的分支比为1:20或1:30。PSB是宽泛的，跨度大于100nm，并且源自于不能被排斥的电子振动跃迁(例如，它们的强度由激发态和激发的各个光子、电子基态之间的Franck-Condon因子确定，并且Debye-Waller因子为0.03－0.05)。已知固态发射体的理论最小谱线宽度为受(傅立叶)转换限制的谱线宽度并且其由-
发射体的激发态寿命确定。对于NV，这在室温下被光子宽化至约1THz(Phys.Rev.Lett.,第
103卷,第25期,第256404页,2009)但低于约10K，该谱线宽度原则上可为受转换限制的。测量了NV中心的激发态寿命为12ns(τ)，是其在理想的材料中将天然谱线宽度限制于δυ＝(1/2πτ)＝13MHz。在几乎所有的金刚石材料(天然，CVD合成，高压高温(HPHT)合成和纳米金刚石)中谱线宽度明显大于这个基本限制并且每个缺陷显示变化。这是由于每个缺陷都具有不同的局部电子和应变环境。例如，已经注意到即使先前描述的多光子干涉装置利用具有非常高纯度和低应变的CVD合成金刚石材料以在相对均匀的电子和应变- -
环境中提供NV自旋缺陷，对于每个NV 自旋缺陷的发射谱线宽度仍然明显高于13MHz的理-
论限制。对于在扫描之间具有532nm再激励脉冲(repump pulse)的两个所选择的NV自旋缺陷，在不存在绿光下记录的单独的光致发光激发光谱(单扫描)显示了36MHz和38MHz的零光子谱线宽度。在采用同时的绿色激发记录的光致发光激发光谱中和在532nm下的零声子谱线发射光谱中还观察到光谱扩散。本领域已知随着时间过去的发射谱线宽化为不均匀的谱线宽化并且已知随着时间过去而测量的整体总光谱谱线宽度为不均匀的谱线宽度。
这与已知为单次扫描谱线宽度的及时在特定距离下测量的谱线宽度形成对比。然而，尽管观察到的非均匀宽化超过辐射谱线宽度一个数量级，但是由于施加合适的调谐和过滤以及配置成使得零声子发射谱线宽度不超过光子探测器的反时限分辨率的探测器，仍然探测到两个光子干涉效应。

[0026] 下表给出了在不同类型的金刚石材料中测量的零声子谱线宽度的一些实例。

[0027]-

[0028] 天然金刚石材料具有各种各样的NV零声子谱线宽度，其反映在自然界中发现的各种各样的金刚石晶体结构。虽然每种金刚石晶体是独特的，但是高纯度IIa型天然金刚石可具有至50MHz级别的零声子谱线宽度。在来自Urals的一种著名的天然金刚石中观察到小于20MHz的稳定零声子谱线宽度。例如，P.Tamarat等人[Phys.Rev.-Lett.97,083002(2006)]研究了这种独特的天然金刚石并且报道了NV零声子谱线，其处于
13MHz的受转换限制的谱线宽度并且其在许多秒和激发循环中为稳定的。然而，目前没有良-
好地理解为什么在这个单一天然金刚石样品中NV自旋缺陷展现出如此窄和稳定的发射特性的原因。此外，迄今为止在任何合成金刚石材料中没有观察到如此窄的稳定零声子谱线宽度。
-

[0029] 合成金刚石材料也具有各种各样的NV零声子谱线宽度，其反映以具有为了特定应用而优化的性质的不同金刚石材料为目标的各种各样的合成技术和方法。使用一些本领域已知的光谱技术可将合成金刚石材料与天然金刚石材料进行区分，因为与天然金刚石材料相比，合成材料具有不同组成的延伸缺陷(例如位错)和杂质缺陷。对于技术应用，合成金刚石材料比天然材料有利，因为使用特定的合成技术和方法可导致可再现的产品材料。

[0030] 尽管以上内容，在撰写本申请文件的日期本发明人没有意识到实现具有小于100MHz的稳定的非均匀的自旋缺陷零声子谱线宽度的合成金刚石材料的路线的任何公开。
在报道低于100MHz的谱线宽度值时，这些在单次扫描中进行测量并且不包括光谱扩散。

[0031] 由Shen等人[Phys.Rev.B 77,033201(2008)]报道了合成IIa型纳米金刚石中的-16MHz的NV零声子谱线宽度。然而，由单独的光致发光激发光谱测量这个谱线宽度并且其经受光谱扩散，导致随着时间过去的谱线宽化。即，发射谱线频率随着时间过去而移动，使得虽然在单个距离下谱线宽度可为窄的，但是当在加在一起的多次光谱扫描中测量该谱线宽度时，频率的总体分布导致大于100MHz的不均匀的谱线宽度。

[0032] V.M.Acosta等人[Phys.Rev.Lett.108,206401(2012)]近来报道了施加用于减少-导致光谱宽化的NV发射频率随着时间过去的光谱扩散的动态反馈Stark调谐技术。对于-
位于在高纯度100取向的金刚石基材上沉积的100nm厚的CVD合成金刚石膜中的NV缺陷报道了140MHz的平均单次扫描谱线宽度。对于天然IIa型金刚石样品报道了60MHz的窄-
得多的NV谱线宽度。报道了通过施加动态反馈Stark调谐技术将天然样品中的零声子发射谱线的光谱扩散抑制到16MHz标准偏差。然而，16MHz数字表示离开始的谱线位置的光谱偏移而不是单次扫描谱线宽度，其没有被动态反馈Stark调谐技术改变并且保持在60MHz下。在任何情况下，60MHz值是对于天然金刚石样品而言而不是合成金刚石样品。

[0033] 其它背景参考文献包括以下：

[0034] Faraon等人PRL 109,033604(2012)[http://prl.aps.org/pdf/PRL/v109/i 3/e033604]公开了具有4GHz谱线宽度的IIa型光子器件中的NV自旋缺陷。

[0035] Kai-Mei C.Fu,PRL 103,256404(2009)[http://prl.aps.org/pdf/PRL/v103/i25/e256404]公开了具有～30MHz单次扫描谱线宽度的电子级材料中的NV缺陷；和[0036] Bernien PRL 108,043604(2012)[http://prl.aps.org/pdf/PRL/v108/i4/e043604]公开了具有263MHz不均匀谱线宽度和36MHz单次扫描谱线宽度的电子级材料中的NV自旋缺陷。

[0037] 应注意的是，在先前的讨论中提到自旋缺陷的零声子谱线宽度与没有光子空腔宽化的发射的固有谱线宽度相关。在某些量子或光学应用中，将一个或多个自旋缺陷与光学空腔或光子空腔结构耦合是有利的。这样的光子空腔可用于增加零声子谱线中发射的光子数目并且还经由空腔宽化来增加零声子谱线的宽度，作为空腔的Q因子的函数。因此，在利用光子空腔的量子器件结构中，如果没有光子空腔存在，那么所观察到的零声子谱线宽度将大于自旋缺陷的固有谱线宽度。应注意的是，甚至当提供了光子空腔结构时，提供具有固有地窄的零声子谱线宽度发射的自旋缺陷仍然是有利的。术语固有不均匀的零声子谱线宽度在本文中将用于涉及没有光子空腔宽化和没有Stark调谐来抵抗光谱偏移的自旋缺陷的固有不均匀的零声子谱线宽度。如果存在光子空腔，那么可从观察到的零声子谱线宽度减去空腔宽化的影响以确定自旋缺陷的固有不均匀的零声子谱线宽度。为了推导出通过空腔的存在而辐射宽化的NV中心的固有谱线宽度，可使用依赖于时间的荧光测量来推导出NV中心的寿命。通过共振吸收/荧光测量的这种谱线宽度简单地为测量的寿命的倒数δυ＝(1/2πτ)，其将为空腔宽化和固有谱线宽度的组合。谱线宽度可减小的最大量由Purcell因子给出，假设空腔内优化的NV调整。可由空腔Q和模式体积计算Purcell因子。空腔Q和共振位置可独立地由各种技术表征，例如透射、锥形纤维耦合和交叉极化散射。模式体积较难外部表征(通常为计算的或模拟的)但是可使用近场扫描技术完成[Okamato等人,Appl.Phys.Lett.82,1676(2003)和McDaniel等人,Phys.Rev.B55,10878–10882(1997)]。测量空腔对NV谱线宽度的实际贡献的另一个方法是调谐NV中心和空腔彼此不共振。通过Stark效应和微制作的电极的典型可实现的NV脱谐为100GHz级别[Phys.Rev.Lett.,第97卷,第8期,第083002页,2006和Phys.Rev.Lett.,第107卷,第26期,第266403页,2011]。这对于Q>5000的空腔是可行的。还可以通过惰性气体的集中、其它介电物的沉积以及刻蚀来调谐该空腔。当将该空腔和NV脱谐时，NV中心的寿命应增加其天然寿命，并且其谱线宽度应反映没有空腔的NV的固有谱线宽度。

[0038] 除了上述内容以外，还应注意的是，测量零声子谱线宽度的方法可影响所观察到的零声子谱线宽度。例如，在明显高于Debye 温度的温度下测量零声子谱线宽度导致温度诱发的声子宽化。此外，在高激光器功率下激发自旋缺陷可导致零声子谱线发射的功率宽化。因此，除了上述内容以外，术语固有不均匀的零声子谱线宽度将用于涉及在低得足以抑制光子宽化的样品温度下和在低得足以避免功率宽化的激发功率下测量的不均匀的零声子谱线宽度。

[0039] 本发明的目的是提供合成金刚石材料和合成这样的材料的方法，该材料包含固态自旋缺陷光子发射体，其具有的固有的不均匀零声子谱线宽度接近受转换限制的值并且其具有最小的光谱扩散，为稳定的。测量和计算该固有不均匀的零声子谱线宽度以包括固有的谱线宽化效应例如固有的光谱偏移，但是排除外部效应例如温度诱发的声子宽化、激发诱发的功率宽化、光子空腔宽化和固态自旋缺陷的不均匀的零声子谱线宽度的经Stark调谐的窄化。这样的窄谱线宽度、稳定的固态光子发射体构成向固态量子计算前进的主要步骤并且在其它量子光学、量子传感和量子加工应用中也是有用的。

发明内容

[0040] 根据本发明的第一方面，提供了合成金刚石材料，其包含一个或多个自旋缺陷，该一个或多个自旋缺陷具有不大于100MHz的半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度。

[0041] 根据本发明的第二方面，提供了由合成金刚石材料制作的光子器件结构，所述光子器件结构包含光子器件层，该层包括一个或多个光子结构，每个光子结构包含设置于其中的至少一个自旋缺陷，其中所述至少一个自旋缺陷具有不大于3.5GHz的半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度和/或不大于100MHz的单次扫描谱线宽度。

[0042] 根据本发明的第三方面，提供了制作根据本发明的第一方面的合成金刚石材料或根据本发明的第二方面的光子器件结构的方法，该方法包括：

[0043] 选择合成金刚石材料，该合成金刚石材料包含不大于100ppb、80ppb、60ppb、40ppb、20ppb、10ppb、5ppb或1ppb的单取代氮浓度；和

[0044] 使用多阶段退火过程将该合成金刚石材料退火，该多阶段退火过程包括：

[0045] 在350至450℃范围内的温度下持续至少2小时的第一退火步骤；

[0046] 在750至900℃范围内的温度下持续至少2小时的第二退火步骤；和[0047] 在1150℃至1550℃范围内的温度下持续至少2小时的第三退火步骤。

[0048] 根据本发明的第四方面，提供了基于金刚石的量子体系，其包含：

[0049] 根据本发明的第一方面的合成金刚石材料或根据本发明的第二方面的光子器件结构；

[0050] 配置成光学激发该合成金刚石材料或光子器件结构中的一个或多个自旋缺陷的激发装置；和

[0051] 配置成探测来自该一个或多个自旋缺陷的光子发射的探测器装置。附图说明

[0052] 为了更好地理解本发明并且显示可如何实施本发明，现在将仅参考附图通过举例来描述本发明的实施方案，其中：

[0053] 图1显示了说明用于制作位于合成金刚石部件内的薄的自旋缺陷层的方法实例的流程图。

[0054] 图2(a)和2(b)显示了位于合成金刚石部件内的薄的自旋缺陷层的光谱数据；

[0055] 图3(a)和3(b)说明了在合成金刚石材料中制作的束和混合光子晶体的扫描电子显微镜(SEM)图像；和

[0056] 图4(a)至4(c)显示了位于光子合成金刚石结构内的自旋缺陷的光谱数据。

具体实施方式

[0057] 本发明的实施方案提供了用于合成固态发射体的路线，该固态发射体具有的零声子谱线宽度接近受转换限制的值并且随着时间过去为稳定的，具有最小的光谱扩散。如发明内容部分指出的，制作了包含自旋缺陷的合成金刚石材料，该自旋缺陷具有小于100MHz的半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度。这通过以下的组合实现：(i)选择合适的合成金刚石材料；和(ii)使用多阶段退火技术处理所选择的合成金刚石材料。

[0058] 用作制作前述材料的起始材料的合成金刚石材料优选为CVD合成金刚石材料并且特别是高纯度、低应变的CVD合成金刚石材料，例如WO01/096633、WO2010/010344和WO2010/010352中描述的。这些材料具有不大于100ppb、80ppb、60ppb、40ppb、20ppb、10ppb、5ppb或1ppb的单取代氮浓度。这样的材料提供了相当低的应变、均匀的电子环境，在该电子环境中可设置自旋缺陷。

[0059] 例如，WO01/096633描述了用于合成非常高纯度的单晶CVD金刚石材料的方法，该材料具有一个或多个以下的电子和/或光学特性(表明其高纯度和晶体学品质)：

[0060] (i)在300K下测量的大于1.5×10-6cm2V-1的μτ乘积，其中μ为载流子的迁移率并且τ为载流子的寿命；

[0061] (ii)在300K下测量的大于2400cm2V-1s-1的电子迁移率(μe)；

[0062] (iii)在300K下测量的大于2100cm2V-1s-1的空穴迁移率(μh)；

[0063] (iv)在1V/μm的施加场和300K下测量的大于150μm的收集距离；

[0064] (v)在514nm Ar离子激光激发(名义上300mW入射束)下在77K下测量的与在-1575nm处的阴极射线致发光(CL)相关的光致发光(PL)谱线，其具有的峰高<在1332cm 处的金刚石拉曼峰的1/25。

[0065] (vi)强的自由激子(FE)发射，其中由193nm ArF准分子激光器在室温下激发的自-5由激子发射的强度使得自由激子发射的量子产率为至少10 ；和

[0066] (vii)在g＝2.0028下在电子顺磁共振(EPR)中<1×1017cm-3的自旋密度。

[0067] 这样的单晶CVD金刚石材料优选具有一个或多个以下杂质特性：

[0068] (i)不大于1ppm水平的任何单个杂质和不大于5ppm的总杂质含量，其中杂质排除氢及其同位素形式；和

[0069] (ii)在电子顺磁共振(EPR)中，在<100ppb的浓度下的单取代氮中心Ns0；

[0070] 有时将前述材料称作电子级单晶CVD金刚石材料。在WO2010/010344和WO2010/010352中描述了对该材料的化学和同位素纯度的进一步改进，导致有时称作量子级单晶CVD金刚石材料的材料。除了上述的电子级材料的那些以外，这样的材料还可由一个或多个以下特性表征：

[0071] (i)在室温下300μs或更长、优选500μs或更长并且更优选1ms或更长的自旋缺陷消相干时间T2；和

[0072] (ii)500MHz或更小、300MHz或更小、200MHz或更小、150MHz或更小、100MHz或更小、80MHz或更小并且最优选50MHz或更小的固有不均匀的自旋缺陷零声子谱线宽度。

[0073] 这样的单晶CVD金刚石材料可具有一个或多个以下杂质特性：

[0074] (i)20ppb或更小、10ppb或更小或者5ppb或更小的总氮浓度；

[0075] (ii)10ppb或更小的NV中心浓度；

[0076] (iii)0.9％或更小的13C总浓度；

[0077] (iv)100ppb或更小、50ppb或更小、20ppb或更小、10ppb或更小、5ppb或更小、2ppb或更小、1ppb或更小、0.5ppb或更小、0.2ppb或更小或者0.1ppb或更小的硼浓度(和/或未补偿的取代硼浓度)；

[0078] (v)100ppb或更小、50ppb或更小、20ppb或更小、10ppb或更小、5ppb或更小、2ppb或更小、1ppb或更小、0.5ppb或更小、0.2ppb或更小、0.1ppb或更小或者0.05ppb或更小的硅浓度；

[0079] (vi)0.5ppb或更小、0.2ppb或更小、0.1ppb或更小、0.05ppb或更小、0.02ppb或更小、0.01ppb或更小或者0.005ppb或更小的硅-空位(称为“SiV”)浓度，其由相对于在-1约1332.5cm 处的位移下的金刚石拉曼谱线的强度归一化的737nm光致发光(PL)谱线的强度表征，两者均在约77K的温度下测量；

[0080] (vii)1ppm或更小、0.5ppm或更小、0.2ppm或更小、0.1ppm或更小、0.05ppm或更小、0.02ppm或更小、0.01ppm或更小、0.005ppm或更小或者0.001ppm或更多小的固有顺磁缺陷(即具有非零磁性自旋的缺陷)浓度；

[0081] (viii)5ppm或更小、1ppm或更小或者优选0.5ppm或更小的任何单一非氢杂质浓度；

[0082] (ix)排除氢及其同位素的10ppm或更小、5ppm或更小、2ppm或更小的总杂质含量；和

[0083] (x)1018cm-3或更小、1017cm-3或更小、1016cm-3或更小或者1015cm-3或更小的氢杂质(特别是氢及其同位素)浓度。

[0084] 该单晶 CVD 金刚石材料可在遍及单晶 CVD 金刚石材料的50％,60％,70％,80％,90％,95％的大部分体积中或在遍及其整个体积中具有一个或多个前述的杂质特性。或者，该单晶CVD金刚石材料可包含具有不同数量和/或分布的杂质的多个层。在这种情况下，一个或多个该层可具有一个或多个前述的杂质特性。

[0085] 尽管在制造具有高晶体学品质以及化学和同位素纯度的单晶CVD合成金刚石材料方面的进展，但是这样的金刚石材料仍然包括各种各样的晶体缺陷，其可与电子/自旋缺陷相互作用以不利地影响自旋缺陷的零声子谱线宽度和光谱稳定性。合成金刚石材料中点缺陷的一些实例包括：含硅缺陷例如硅-空位缺陷(Si-V)、硅双空位缺陷(Si-V2)、硅-空位-氢缺陷(Si-V:H)、硅双空位氢缺陷(S-V2:H)；含镍缺陷；含铬缺陷；和含氮缺陷例如单取代氮、多氮缺陷结构，和氮-空位结构例如氮-空位缺陷(N-V)、二氮空位缺陷(N-V-N)和氮-空位-氢缺陷(N-V-H)。通常在中性电荷态或在负电荷态中发现这些缺陷。在合成金刚石材料中通常还发现孤立空位缺陷、双空位和较大的空位簇。因此，将理解在合成金刚石材料中存在各种各样的缺陷。

[0086] 合成金刚石材料中的带负电的氮-空位缺陷(NV-)作为有用的量子自旋缺陷吸引了很多关注，因为它具有几个所需的特征，包括：

[0087] (i)归因于极长的相干时间(可使用横向弛豫时间T2对其进行定量和对比)，可以以高精度相干操纵其电子自旋状态；

[0088] (ii)其电子结构允许将缺陷光学激励到其电子基态，从而甚至在非低温下也允许将这样的缺陷置于特定的电子自旋状态中。这可取消对用于需要微型化的某些应用的昂贵和块状的低温冷却设备的需求。此外，该缺陷可充当均具有相同的自旋状态的光子源；和[0089] (iii)其电子结构包含可发射的和不可发射的电子自旋状态，其允许通过光子读出缺陷的电子自旋状态。这对于读出来自用于传感应用例如磁力测定、自旋共振光谱学和-成像中的合成金刚石材料的信息是方便的。此外，对于使用NV缺陷作为用于长距离量子-
通信和大规模量子计算的量子位其为关键要素。这样的结果使得NV缺陷为用于固态量子信息加工(QIP)的有竞争力的候选物。

[0090] 鉴于上述内容，优选地本发明的自旋缺陷对应于NV-自旋缺陷。然而，设想本申请文件中描述的方法可应用于其它自旋缺陷。

[0091] 为了改进所选择的自旋缺陷的发射谱线宽度和光谱稳定性，会需要提供固态材料，该固态材料包括所选择的自旋缺陷同时排除不利地影响所选择的自旋缺陷的自旋和发射特性的所有其它缺陷。如先前指出的，认为高纯度、低应变的CVD合成金刚石材料提供了有用的起始点，其用于提供其中可设置所关注的自旋缺陷的低干涉晶体基体。然而，虽然如WO01/096633、WO2010/010344和WO2010/010352中描述的这样的材料提供了其中可设置自旋缺陷的相当低的应变、均匀的电子环境，但是该材料仍然包括各种晶体缺陷，其可与自旋缺陷相互作用以不利地影响自旋缺陷的发射谱线宽度和光谱稳定性。例如，电子级CVD合成金刚石材料将包含残余品质的单取代氮。虽然在金刚石晶格内单取代氮的残余浓度通常不大于100ppb，但是这样低浓度的缺陷对于量子光学应用仍然是明显的。

[0092] 鉴于上述内容，本发明人开发了多阶段退火方法来系统地移除晶体缺陷，所述晶-体缺陷不利地影响自旋缺陷(例如NV自旋缺陷)的发射谱线宽度和光谱稳定性，由此改进高纯度金刚石基体内自旋缺陷的发射谱线宽度和光谱稳定性。

[0093] 该方法包括：选择金刚石材料，该金刚石材料包含不大于100ppb(任选80ppb、60ppb、40ppb、20ppb、10ppb、5ppb或1ppb)的单取代氮浓度；和进行多阶段退火过程，该过程包括在350至450℃范围内的温度下持续至少2小时(任选至少4、6或8小时)的第一退火步骤，在750至900℃范围内的温度下持续至少2小时(任选至少4、6或8小时)的第二退火步骤，和在1150℃至1550℃范围内的温度下持续至少2小时(任选至少4、6或8小时)的第三退火步骤。发现这样的多阶段退火过程明显改进已经具有高纯度和相对低应变的金刚石基体内的自旋缺陷的发射谱线宽度和光谱稳定性。虽然不受理论束缚，但是为什么该多阶段退火过程在实现稳定和接近受转换限制的谱线宽度自旋缺陷方面是成功的推理如下。

[0094] 将金刚石材料退火改变了金刚石晶格内缺陷的属性和分布。例如多原子缺陷可分裂，缺陷可变成可移动的并且移动通过金刚石晶格，并且缺陷可组合以形成新的缺陷类型。发生这些不同的过程的温度改变并且将取决于金刚石晶格内杂质的类型。在高纯度CVD合成金刚石材料中，缺陷结构由含氮缺陷和含空位缺陷控制。氮主要为孤立氮原子形式，其可位于晶格位点上或在间隙位置中。空位以孤立形式作为双空位和作为较大空位簇存在。

[0095] 在350至450℃范围内的温度下持续至少2小时(任选至少4、6或8小时)的第一退火步骤将间隙氮原子从间隙位点移动到晶格位点。这需要间隙氮原子与存在于晶格位点上的空位缺陷组合，使得在晶格位点上用氮原子替代空位。据认为约400℃的退火温度对于实现用于消除间隙氮缺陷的这种方法是优化的，与其中间隙氮缺陷组合以形成可在更高的退火温度下占主导地位的间隙-间隙双氮缺陷的方法相比。即，在约400℃的温度下，据认为间隙氮原子的主要损失机制是与晶格位点上的空位组合，而不是形成更稳定的双氮间隙缺陷。虽然认为2小时是在约400℃的温度下移除或明显减少间隙氮原子的充足时间，但是至少4、6或8小时的更长退火时间对于确保就是这样而言可为需要的。

[0096] 一旦通过前述的退火步骤移除(或至少减少)间隙氮原子，就进行在750至900℃范围内的温度下持续至少2小时(任选至少4、6或8小时)的第二退火步骤，这个步骤旨在通过使空位迁移以与位于晶格位点上的氮原子组合来导致NV缺陷的形成。在比800℃低得多的温度下，据认为空位的流动性不足以在合理的时间范围内形成NV缺陷。在明显高于800℃的温度下，据认为金刚石晶格中的较大热能意味着孤立氮缺陷附近的应变场不再足以导致其为通过金刚石晶格迁移的空位的主要损失机制。例如，在1200℃下形成非常少的NV缺陷，而在明显高于1400℃的温度下位于晶格位点上的氮原子在也是不需要的空位缺陷的存在下变为可移动的。虽然认为2小时为在约800℃的温度下在经由迁移和捕获机制将大量的空位转化为NV缺陷的充足时间，但是有一些证据表明在退火2小时后保留明显浓度的空位缺陷。因此，在约800℃的温度下至少3小时、4小时、5小时、6小时、8小时或10小时的更长退火时间对于确保明显浓度的残余空位缺陷不会仍然存在于金刚石晶格内可为需要的。

[0097] 最后，据认为除了在800℃下形成NV缺陷以外，在该温度下孤立空位的其它主要损失机制是形成双空位缺陷。双空位缺陷在高于1150℃的温度下退火掉并且因此在高于1150℃的温度下进行至少2小时(任选至少4、6或8小时)的第三退火步骤，以便移除双空
2
位缺陷。另外，据认为在约1200℃下固有sp 碳型缺陷和氢开始迁移或退火掉。因此，在至少1200℃、1300℃或1350℃的更高温度下进行第三退火步骤可为有利的。如先前指出的，在明显高于1400℃的温度下，据认为位于晶格位点上的氮原子在空位缺陷的存在下变成可移动的并且因此认为确保第三退火步骤不明显超过1400℃可为有利的，但是如果进行第二退火步骤持续足够长的时间段使得存在非常少的空位从而使得氮原子不太可移动的，可以使用最高至1550℃的温度。因此，可在至少1200℃、1300℃或1350℃的温度和/或不大于
1500℃、1450℃或1400℃的温度下进行第三退火步骤。虽然认为2小时为移除或明显减少
2
双空位、氢和固有sp碳缺陷的充足时间，但是至少3小时、4小时、6小时或8小时的更长
2
退火时间对于确保明显浓度的残余双空位缺陷、氢和sp碳缺陷不会仍然存在于金刚石晶格内可为需要的。

[0098] 与上述相关，应注意的是，高退火温度可导致金刚石材料的石墨化。因此，可在惰性气氛下和/或在金刚石稳定化压力下进行高温退火步骤以防止石墨化。此外，在进行多阶段退火过程后，有利地将该合成金刚石材料酸洗并且随后在氧中退火以移除任何残余的石墨。

[0099] 优选地，该合成金刚石材料为CVD合成金刚石材料。此外，优选地，一个或多个自-旋缺陷为NV自旋缺陷。虽然关于替代间隙氮缺陷的NV自旋缺陷的形成描述了前述的多阶段退火过程，但是这样的多阶段退火过程还可用于有效地“清理(clean-up)”金刚石晶格以提供用于其它自旋缺陷的更稳定的电子环境。

[0100] 还注意到合适的合成金刚石起始材料可包含表面层，其由于机械抛光而受到损坏并且为高度应变的。在这种情况下，例如可通过在施加该多阶段退火过程之前的蚀刻来移除表面层。例如，可通过施加Ar/Cl2蚀刻接着O2蚀刻来移除合成金刚石材料的表面层，从而在施加该多阶段退火过程之前产生低损伤、低应变表面。

[0101] 利用上述的多阶段退火工序，制作了合成金刚石材料，其包含具有不大于100MHz的半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度。事实上，发现了该多阶段退火工序能够实现不大于80MHz、60MHz、50MHz或40MHz的半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度。可在至少10、20、30、50、75、100、500或1000秒内将半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度平均。此外，可在至少10、20、30、50、75、100、500或1000次光谱扫描内将半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度平均。另外，该多阶段退火过程可产生包含在合成金刚石材料的外表面附近具有改进的发射特性的自旋缺陷的材料。这对于光学寻址自旋缺陷、使光子与自旋缺陷脱耦合和提供光学脱耦合结构(包括与自旋缺陷耦合的光子空腔)是有利的。例如，该一个或多个自旋缺陷可位于离该合成金刚石材料的表面不大于1μm、500nm、200nm、100nm、50nm、30nm、
10nm或5nm。

[0102] 此外，该多阶段退火工艺旨在提供明显数目的自旋缺陷，在晶体晶格中在稳定、低应变环境中提供自旋缺陷。对于许多应用，合成金刚石材料包含多个每个具有小于100MHz、80MHz、60MHz、50MHz或40MHz的稳定光谱谱线宽度的自旋缺陷是有利的，并且最优选地分布在合成金刚石材料中的大部分(至少50％、60％、70％、80％或90％)的自旋缺陷将满足这个标准。

[0103] 在本发明的某些实施方案中，在合成金刚石材料的生长期间形成自旋缺陷，其中将氮原子和空位纳入晶体晶格中作为生长期间的氮－空位对。还可在使用在材料生长过程期间纳入的缺陷的材料合成后形成自旋缺陷。例如，通过使用如上所述的多阶段退火过程退火该材料可由在生长过程期间纳入的单独的氮和空位缺陷形成NV缺陷。

[0104] 在上述情况下，自旋缺陷可分布在整个合成金刚石材料中。或者，可在内部晶体结构上或内部晶体结构内生长薄的掺杂材料层，使得自旋缺陷仅位于薄的合成金刚石材料层中，例如具有纳米级深度的所谓的δ层。另外作为替代，还已知将氮注入生长状态的金刚石材料中以形成氮层，随后在约800℃下退火以形成NV缺陷。例如，Rabeau等人和Santori等人讨论了氮注入和退火的动力学[参见Appl.Phys.Lett.88,023113(2006)和Phys.Rev.B 79,125313(2009]。已发现如果在注入步骤后利用如本文所述的多阶段退火过程那么通过这样的注入方法形成的NV缺陷可具有小于100MHz、80MHz、60MHz、50MHz或40MHz的稳定光谱谱线宽度。在这种情况下，自旋缺陷将位于合成金刚石材料内的薄层中，例如2-D缺陷阵列。例如，在单晶CVD金刚石样品中观察到了小于100MHz、80MHz、60MHz、50MHz或40MHz的稳定光谱谱线宽度，该单晶CVD金刚石样品在约85keV的能量下注入氮原子至约100nm9 -2 10 -2
的名义深度和约10cm 至10 cm 的氮浓度，接着进行如本文所述的多阶段退火过程。

[0105] 鉴于上述内容，合成金刚石材料可包含自旋缺陷层，所述层包含至少105cm-2个自旋缺陷并且具有不大于1μm的厚度，其中所述层中的自旋缺陷具有不大于100MHz、80MHz、60MHz、50MHz或40MHz的半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度。所述层的厚度不大于
5 2 11
500nm、200nm、100nm、50nm、30nm、10nm或5nm。此外，该层可包含10个自旋缺陷/cm 至10
2 6 2 7 2
个自旋缺陷/cm。自旋缺陷的浓度可为至少10个自旋缺陷/cm 、10个自旋缺陷/cm 或
8 2 10 2 9 2 8
10个自旋缺陷/cm 和/或不大于10 个自旋缺陷/cm 、10个自旋缺陷/cm 或10 个自旋
2
缺陷/cm、或者这些下限和上限的任何组合，这取决于对于特定应用所需的自旋缺陷浓度。
5 2 11 2 5
例如，自旋缺陷的浓度可处于10个自旋缺陷/cm 至10 个自旋缺陷/cm 、10个自旋缺陷
2 10 2 5 2 9 2 5
/cm至10 个自旋缺陷/cm 、10个自旋缺陷/cm 至10 个自旋缺陷/cm 或10 个自旋缺
2 8 2
陷/cm至10 个自旋缺陷/cm 范围内。包含多个自旋缺陷的薄金刚石层对于制作器件层和结构是有用的。对于这样的薄自旋缺陷层报道了的自旋缺陷谱线宽度明显差于对于块状材料和/或分离的自旋缺陷的那些。然而，可使用本文描述的多阶段退火工序实现这样的层内具有低的半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度的自旋缺陷。此外，该层可位于离合成金刚石部件的表面不大于1μm、500nm、200nm、100nm、50nm、30nm、10nm或5nm。

[0106] 用于制作具有窄的谱线宽度发射的薄自旋缺陷层的工艺实例在图1中得到说明，图1显示了单独步骤的流程图。该工艺包含：

[0107] (1)选择合适的起始材料，例如如WO01/096633中描述的Element SixTM电子级单TM晶CVD金刚石材料或如WO2010/010344和WO2010/010352中描述的Element Six 量子级单晶CVD金刚石材料。

[0108] (2)N+离子注入，例如在85keV的能量下并且剂量＝108–1011cm-2。

[0109] (3)在400℃下退火4小时。

[0110] (4)在800℃下退火2至8小时。

[0111] (5)在1200℃下退火2小时。

[0112] (6)通过在1：1：1的浓的硫酸、硝酸和高氯酸中回流来进行酸清洁1小时。

[0113] (7)在465℃下O2退火3小时以移除石墨。

[0114] 任选地在N+离子注入之前通过施加Ar/Cl2蚀刻接着O2蚀刻移除起始材料表面层以产生低损伤、低应变表面。

[0115] 在图2中给出了使用前述的工序制作的薄NV-缺陷层的光谱数据。该光谱数据说-明植入和退火的NV自旋缺陷在低温下的光谱性质，图2(a)说明半峰全宽固有不均匀的零声子谱线宽度并且图2(b)说明了在针对光谱扩散矫正后的谱线宽度。关于图2(a)，通过采-
用637.2nm处的扫描二极管激光器激发并且收集来自声子边带中的NV自旋缺陷的光子来获取光谱。在脉冲顺序的每次重复中，施加绿色再激励光1ms，接着10ms红光。仅在红色激光器开启时收集荧光。在扫描红色激光器频率时重复该脉冲顺序。重复该扫描三十次并且-
在分析期间对数据进行平均。这样的实验给出在绿色照明下具有光谱扩散的NV自旋缺陷谱线宽度。关于图2(b)，在与图2(a)相同的条件下获取光谱，不同之处在于仅在每个激光器扫描开始时施加绿光。此外，在进行平均之前，确定每个单独的扫描的峰位置，并且使扫描偏移，使得峰位置都排列起来。这个分析给出了没有由绿色激光器引起的光谱扩散的谱线宽度的指示，并且仅包括寿命有限的谱线宽度(FWHM＝13MHz)和由红色激光器引起的任何残余光谱扩散。

[0116] 与上述内容相关，除了使用532nm绿光将NV0状态再激励为NV-，还可以使用757nm激光器再激励，其甚至在非常低的功率下可将NV中心转化回到带负电荷状态。由于与更常规的532nm激发相比575nm激发更低的强度和能量/光子，这种再激励方法减少光谱扩散。

[0117] 还已知例如用电子辐照金刚石材料可形成空位缺陷并且随后在800℃下的退火步骤可用于由通过辐照引入的空位缺陷形成NV缺陷。因此，设想还可在该多阶段退火过程前进行电子辐照步骤。这样的辐照步骤还可与注入技术组合使用。

[0118] 除了上述内容以外，还设想辐照可与多阶段退火过程组合使用以进一步降低金刚石晶格内的缺陷的浓度，所述缺陷不利地影响所关注的自旋缺陷的发射特性。例如，由中性NV缺陷形成用于量子光学应用的带负电荷的NV缺陷需要金刚石晶格内的电子供体。通常-地，电子供体将为单取代的氮原子。因此，虽然单取代氮的存在可不利地影响NV自旋缺陷的磁性和光学性质，但是可需要一定水平的单取代氮充当电子供体以由中性NV缺陷形成- - +
NV缺陷。这将导致包含NV 缺陷和相应浓度的用于电荷中性的N 缺陷的材料。然而，据认-
为通常将存在残余数量的未转化的中性单取代氮，其为自旋1/2缺陷并且对于NV缺陷的自旋性质是有害的。据认为如果通过辐照接着随后在1200℃下的退火步骤引入受控浓度的空位缺陷，那么残余的氮和空位缺陷可组合以形成例如自旋零缺陷N-V-N并且因此可改进-
NV缺陷的性质。

[0119] 应该注意的是，在本领域中可已知如本文中描述的单独的退火步骤。例如，B.Naydenov等人建议在800℃的温度下的注入和退火技术用于制作NV自旋缺陷。B.Naydenov等人还建议在高于1000℃、1100℃或1200℃的更高温度下退火对于移除各种顺磁性缺陷以增加NV自旋缺陷的消相干时间可为有利的。此外，Fu等人[Appl.Phys.Lett.96,121907(2010)]建议在氧气氛中在465℃下退火含NV的金刚石材料可在样品表面
0 －
附近将NV氧化成NV 。然而，本发明人没有意识到如本文中描述的三阶段退火过程的任何公开或这样的多阶段退火过程可导致自旋缺陷的稳定的、窄的零声子谱线宽度发射，这对于需要多光子纠缠的量子光学应用是需要的。实际上，可以在如本文中描述的多阶段退火
0 -
过程后进行Fu等人的氧化退火以将近表面NV缺陷转化为NV 。

[0120] 在低于Debye温度的温度下(例如在低于10开尔文的温度下)测量退火的合成金刚石产物材料的固有非均匀的零声子谱线发射。在交替地用绿色和红色激光激励和扫描零声子谱线发射时可进行发射测量。获得了小于100MHz的固有非均匀的零声子谱线宽度。此外，发现零声子谱线发射在至少1s、10s、20s、50s和最多至100s的平均时间内为稳定的。
此外，甚至在绿色激光激发下零声子谱线发射仍然为稳定的，并且尽管在块状金刚石样品中需要再激励，但是由于这些再激励没有观察到光谱扩散。又进一步地，没有证据表明光谱扩散将在更多延伸的时间段下发生。

[0121] 本发明的某些实施方案的合成金刚石材料可包含如在本申请文件前面描述的WO01/096633、WO2010/010344和WO2010/010352的材料的电子、光学和杂质特性中的一种或多种。优选地，合成金刚石材料包含不大于100ppb、80ppb、60ppb、40ppb、20ppb、10ppb、5ppb或1ppb的单取代氮浓度。

[0122] 另外，在如本文中描述的多阶段退火过程后，NV缺陷的浓度相对于金刚石材料内的其它自旋缺陷的浓度将增加，所述其它缺陷以其它方式不利地影响NV缺陷的发射特性。因此，除了预退火的材料特性以外，多阶段退火过程导致具有较窄的固有非均匀的零声子谱线宽度的自旋缺陷。此外，多阶段退火过程可制备包含自旋缺陷的材料，该自旋缺陷具有改进的消相干时间T2或与不太纯的起始材料相当的消相干时间。例如，该材料内的一个或多个自旋缺陷可具有在室温下至少100μs、300μs、500μs、1ms、2ms、5ms、10ms、50ms或
100ms的消相干时间T2。

[0123] 可在合成金刚石材料中制作一个或多个光子结构。该一个或多个自旋缺陷可位于离该一个或多个光子结构不大于1μm、500nm、200nm、100nm、50nm、30nm、10nm或5nm或位于该一个或多个光子结构内。以这种方式可制作包含与一个或多个光子结构耦合的一个或多个自旋缺陷的金刚石器件层。合适的光子结构的实例包括光子束和混合光子晶体。

[0124] 除了上述以外，本发明人还注意到虽然先前报道了在合成金刚石材料中制作声学器件结构，但是在这样的光子器件结构内提供光谱稳定的自旋缺陷方面引起问题。US2011-0309265描述了适合用于在合成金刚石材料中制作光子结构的蚀刻工序。发现如本文中描述的多阶段退火工序可与如US2011-0309625中描述的蚀刻工序组合以便在包含自旋缺陷的合成金刚石材料中制作光子结构，该自旋缺陷为适当光谱稳定的并且具有相对窄的谱线宽度。可在如US2011-0309625中描述的蚀刻工序之前或之后施加如本文中描述的多阶段退火工序以便使位于光子结构内的自旋缺陷的光谱性质稳定化。

[0125] 鉴于上述内容，根据本发明的另一方面，提供了由合成金刚石材料制作的光子器件结构，所述光子器件结构包含光子器件层，该光子器件层包括一个或多个光子结构，该光子结构或每个光子结构包含设置在其中的至少一个自旋缺陷，其中所述至少一个自旋缺陷具有不大于3.5GHz、3.0GHz或2.6GHz的半峰全宽固有非均匀的零声子谱线宽度和/或不大于100MHz的单次扫描谱线宽度。可由根据本发明的第一方面的合成金刚石材料制作该光子器件层。

[0126] 图3(a)和(b)说明了使用本文中描述的方法制作的包含自旋缺陷的束和混合光-子晶体的扫描电子显微镜(SEM)图像。这些图像说明了包含NV自旋缺陷的光子金刚石结构的单个器件层的实例。

[0127] 在图4中给出了位于光子结构中的自旋缺陷的光谱数据，图4显示了使用本文中描述的多阶段退火技术结合合适的蚀刻技术(例如US2011-0309265中描述的)制作的纳-米级光学器件内部的NV自旋缺陷的光谱性质。图4(a)显示了在块状金刚石基材顶上制作的悬式金刚石波导的SEM图像。波导具有约20μm的长度和约200nm的宽度。图4(b)显-
示了位于悬式波导内部的NV自旋缺陷的光谱数据。以与先前关于图2(a)描述的相同方式-
获取数据并且谱线宽度包括光谱扩散的效果。图4(c)显示了位于悬式波导内部的NV自旋缺陷的光谱数据，其中以先前关于图2(b)描述的相同方式获取数据并且谱线宽度排除光谱扩散的效果。

[0128] 设计本文中描述的材料用于基于金刚石的量子体系和器件。因此，本发明的另一方面提供了基于金刚石的量子体系，其包含如本文中描述的材料和/或光子器件结构。这样的体系还将包含配置成光学激发合成金刚石材料中的一个或多个自旋缺陷的激发装置和配置成探测来自合成金刚石材料中的一个或多个自旋缺陷的光子发射的探测器装置。在背景部分描述了这样的多光子干涉体系的实例。这样的体系需要至少两个自旋缺陷并且将激发装置配置成单独处理(address)该至少两个自旋缺陷。该体系还包含配置成将光子发射与至少两个自旋缺陷重叠的光子干涉装置。此外，将探测器装置配置成探测在通过光子干涉装置后来自该至少两个自旋缺陷的光子发射，其中将探测器装置配置成分辨光子探测时间中足够小的差异，使得来自该至少两个合成固态发射体的光子发射是量子力学上不可区分的，导致来自不同自旋缺陷的不可区分的光子发射之间的量子纠缠。

[0129] 如上所述的体系与近来提出并且在背景部分中讨论的体系在构造上相似。然而，由于改进的自旋缺陷发射谱线宽度和光谱稳定性，认为Stark调谐不是必要的要求并且可简化该器件从而不需要调谐部件。这就是说，还可设想本发明的材料可与Stark调谐组合使用以实现组合的技术效果。还可利用过滤，但是高品质发射特性将意味着将需要抛弃较少的光子，导致较高的数据采集速率。又进一步地，因为使用本发明的材料更精确地限定光子发射的频率，那么探测器装置不需要对光子探测时间这样高的分辨率来确保来自该至少两个合成固态发射体的光子发射是量子力学上不可区分的，导致来自不同合成固态光子发射体的不可区分的光子发射之间的量子干涉。再次，这将导致较高的数据采集速率。

[0130] 除了上述以外，还应注意的是如本文描述的合成金刚石材料可适合用于除了量子传感和加工(包括辐射探测器)、光学应用和电子应用以外的其它应用。

[0131] 虽然参考优选的实施方案特别显示和描述了本发明，但是本领域技术人员将理解可以做出形式和细节上的各种变化而不脱离由所附权利要求所限定的本发明的范围。

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