• 文章标题：《聚焦离子束加工的硅酸钇波导中铕离子的光学与超精细跃迁》
• 作者：王奕洋等人；研究机构：中国科学技术大学,中国科学院量子信息重点实验室,合肥等
• 日期：2024年9月16日

• 研究意义

1. 量子存储是构建大尺度量子网络、量子中继与分布式量子计算的核心关键器件；稀土掺杂硅酸钇晶体151Eu3+:Y2SiO5 具有长达6 h核自旋相干寿命、1 h相干光存储时间，是长寿命量子存储的理想候选材料。
2. 聚焦离子束（FIB）比飞秒激光加工精度更高、可达纳米量级，适合微纳波导制备；但目前缺少FIB加工后151Eu3+:Y2SiO5 波导中铕离子光学跃迁、超精细跃迁及量子相干特性的系统表征，限制了该工艺在集成量子存储器件中的应用。
3. 利用聚焦离子束在151Eu3+:Y2SiO5 晶体上制备三角形悬梁臂微纳波导，系统测量表征铕离子光学上能级寿命、光学非均匀展宽、光学均匀线宽、自旋超精细展宽、自旋相干寿命等关键性能参数。
4. 对比FIB加工波导与块状晶体的各项性能差异，评估聚焦离子束刻蚀工艺对晶体结构、离子相干特性的损伤程度，验证工艺的适用性与可行性。
5. 对比飞秒激光直写工艺，凸显聚焦离子束在加工尺寸、晶体损伤、光谱展宽控制上的优势；为纳米尺度可集成量子存储器、单个铕离子探测，以及后续波导上制备高Q光子晶体腔、实现单离子量子光源奠定实验基础。

• 研究结论

1. 成功采用聚焦离子束工艺在0.07%掺杂浓度的151Eu3+:Y2SiO5 晶体上制备出截面边长2 μm、长度20 μm的三角形悬梁臂波导；通过表面镀铜膜抑制电荷漂移、高温退火工艺，有效修复了微纳加工引入的晶体缺陷。
2. 波导内151Eu3+ 离子光学上能级布居寿命为(1.9±0.1) ms、地磁场下自旋相干寿命为(5.1±0.6) ms，与块状晶体参数完全一致，核心量子相干性能未发生退化。
3. 相较于块状晶体，波导光学非均匀展宽仅增加约0.26 GHz，自旋非均匀展宽仅增加3.6 kHz，展宽增幅很小；退火工艺有效抑制了加工带来的光谱劣化，FIB对晶体本征特性损伤极低。
4. 光学均匀线宽受瞬时光谱扩散效应影响，随激发光功率变化测得22～71 kHz，与块状晶体处于同一量级，无本质性能下降。 5.聚焦离子束加工的波导截面尺寸比传统激光直写波导缩小一个量级，加工破坏性更低、光谱展宽增加更小，更利于器件微型化、阵列化集成，可大幅提升单芯片量子存储通道数量。
6. 2μm尺度悬梁臂波导中的铕离子完整保留了块状晶体的跃迁展宽与相干寿命，完全满足量子存储任务要求；为纳米尺度集成量子存储器、单离子探测及后续光子晶体腔器件研发提供了可靠技术路径。