• 文章标题：《晶体中单个镨离子的光谱探测与态制备》
• 作者：T. Utikal等人；机构：德国马克斯·普朗克光科学研究所等 

  
  

• 研究意义

1. 稀土离子具备窄光学跃迁线宽、超长自旋相干时间的优异特性，是固态光谱、激光物理、量子信息处理领域的理想材料，既往研究仅停留在离子团簇的宏观系综层面，尚未实现单个稀土离子的精准探测与特性研究，存在研究尺度空白。
2. 传统单离子探测方案存在明显缺陷：室温多光子激发无法精准调控离子窄光学跃迁与基态超精细能级，硅基铒离子电学探测方案无法实现光学读取与光子网络集成，制约了单稀土离子量子体系的应用落地。
3. 依托低温高分辨率激光光谱结合光学显微技术，实现硅酸钇晶体（YSO）中单个镨离子（Pr³⁺）的光谱筛选与精准探测，突破传统衍射极限，实现纳米级空间分辨精度的单离子定位。
4. 完成单镨离子基态三重超精细能级的量子态制备与可控读取，验证镨离子超精细能级百秒级超长寿命的量子特性，填补单镨离子量子操控的实验空白。
5. 探究微纳晶体加工、光谱扩散、激发功率等因素对单离子光谱特性、荧光信号、能级跃迁的影响，为稀土离子单量子体系的近场耦合、能量传递、声子展宽等基础物理研究，以及片上量子光子器件研发提供实验支撑。

• 研究结论

1. 成功搭建低温高分辨率激光显微光谱系统，首次实现Pr:YSO晶体中单Pr³⁺离子的精准光谱探测，可从晶体离子体系中筛选出单个离子信号，空间定位精度达到10 nm量级，突破光学衍射极限，实现多相邻单离子的精准区分与共定位。
2. 首次精确测得Pr³⁺离子激发态³P₀的超精细能级分裂间距（2.9 MHz、5.4 MHz），完善了Pr:YSO晶体能级光谱参数体系；明确基态³H₄超精细能级分裂间距为10.19 MHz、17.3 MHz，验证其百秒级超长能级寿命。
3. 优选³P₀能级作为激发能级（寿命1.95 ms），相较于传统¹D₂能级（166 ms），大幅降低激光带宽要求、提升探测效率；单离子本征均匀线宽为82 kHz，微纳晶体加工引入的应力会引发光谱扩散，使实测线宽展宽至3.3–5.6 MHz，可通过优化制备工艺消除。
4. 创新采用三频激光同步激发方案，有效规避基态超精细能级的粒子数俘获效应，稳定输出单离子荧光信号；仅采用双频激光亦可实现部分能级激发，验证了线宽展宽对粒子俘获效应的调控规律。
5. 实现单Pr³⁺离子三重基态超精细能级的可控量子态制备与精准读取，通过光学泵浦可将粒子数90%以上富集至目标能级，信号特异性强，证实单稀土离子可作为稳定的固态量子比特单元。
6. 单离子荧光饱和功率低至98 pW，受中间长寿命能级粒子俘获影响，实测最大光子计数率约60 次/秒，通过优化光收集效率、引入微腔/纳米天线结构可大幅提升发光效率与探测性能。
7. 该实验体系解决了稀土离子弱荧光难以单离子探测的行业难题，验证了Pr:YSO单离子体系在量子存储、量子态操控、片上集成量子光子器件的应用潜力，为多离子近场耦合、固态量子网络研究奠定基础。