近日，宁波东方理工大学理学部物理学院魏苏淮教授团队联合中国科学院半导体研究所邓惠雄研究员，在金刚石色心量子性质设计方面取得重要进展。该成果由魏苏淮教授课题组博士后邱晨作为第一作者完成，相关论文以 Chemical Control of Zero-Phonon Line Wavelength in Diamond Color Centers for Telecom-Band Emission为题，发表于国际顶级期刊 Journal of the American Chemical Society。
该研究聚焦于量子网络关键基础单元——单光子源，围绕金刚石中一类具有反演对称性的“空位-杂质-空位”（V-I-V）型色心体系展开。研究团队结合第一性原理计算与群论分析，建立了金刚石 V-I-V 型色心零声子线波长的统一化学设计规则，并据此预测出一种具有本征通信波段发光特性的全新“V-Mg-V”色心单光子源，为通信波段量子光源的定向设计提供了新的理论路径。
量子信息科学的重要目标之一，是实现量子节点之间跨越长距离的安全互联。在这一过程中，能够稳定发射单光子的量子光源至关重要。若单光子发射器能够直接工作在通信波段，将显著降低光纤传输损耗，并与现有通信基础设施天然兼容。然而，目前已知色心单光子源的零声子线大多分布在可见光或近红外区域，缺乏本征工作在通信波段的理想体系，这已成为固态量子器件走向实用化亟待突破的关键重要问题。
针对这一难题，研究团队从材料缺陷的微观机制出发，系统研究了不同杂质原子引入后对色心电子结构和光学跃迁的影响。研究表明，V-I-V 色心零声子线的本质起源于双空位成键态与反键态之间的能级差，而这一能级差主要由两个关键因素共同决定：一是杂质原子的原子尺寸所诱导的局域应变效应，二是杂质原子轨道能级位置，特别是 d 轨道与双空位缺陷态之间的杂化耦合。基于这一认识，研究首次建立起将杂质元素原子尺寸、轨道能级与色心发光波长直接关联的统一设计规则，实现了从“经验筛选候选色心”向“基于设计规则定向设计色心”的转变。
在这一设计规则指导下，研究团队进一步确定负三价“V-Mg-V”色心（MgV3-）是极具潜力的通信波段单光子源。计算结果显示，该色心的零声子线位于 1448 nm，处于通信波段范围内；同时其电子-声子耦合极弱，Huang-Rhys 因子仅为 0.0607，Debye-Waller 因子高达 94.1%，表明其发光大部分可以集中于零声子线通道，具备优异的光学相干性和高质量单光子发射潜力。该成果不仅加深了对金刚石色心微观光学机制的理解，也为其它宽禁带材料中缺陷发光体系色心的设计与优化提供了可推广的方法思路。
图注：魏苏淮教授团队合影
作为论文第一作者，邱晨（图中一排左五）在该研究中围绕金刚石色心的电子结构、光学跃迁及量子发光机制开展了系统深入的研究工作。在高水平科研合作中，他不断提升独立开展研究的能力与学术视野，充分展现了青年科研人员在前沿交叉领域中的科研潜力。此次成果的取得，既体现了团队面向国际学术前沿开展协同攻关的研究实力，也体现了理学部物理学院在博士后培养方面的积极成效。
近年来，理学部物理学院持续营造高水平、开放式、重交叉的科研环境，依托优秀学术带头人和高水平科研平台，为博士后等青年科研人员提供参与前沿科学问题研究、融入高水平合作网络、承担实质性科研任务的成长机会。通过科研项目牵引、团队协同支撑和学术交流带动，青年科研人员在解决真实科学问题的过程中不断积累研究经验、提升创新能力，逐步成长为高水平科研队伍的重要力量。
魏苏淮教授现任宁波东方理工大学讲席教授、理学部物理学院院长，长期从事半导体能带理论、缺陷与合金物理、能源与光电材料设计及计算方法研究。此次成果发表于国际顶级期刊，不仅体现了团队在量子材料与计算物理方向的持续创新能力，也展现了理学部物理学院在高水平科研攻关与青年人才培养协同推进方面的积极成效。
