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【国际论文】APL丨美国海军研究实验室：氧化镓中的铜空位中心——一种电信量子缺陷
日期：2026-10-20阅读：123
由美国海军研究实验室的研究团队在学术期刊 Applied Physics Letters 发布了一篇名为 Copper–vacancy center in gallium oxide: A telecom quantum defect（氧化镓中的铜空位中心：一种电信量子缺陷）的文章。
背 景
宽禁带半导体中的量子缺陷因具备光可寻址的自旋态与单光子发射特性，成为量子信息技术的重要平台，而发射波长位于电信波段（Telecom band）的缺陷由于能兼容现有的光纤网络基础设施，在量子网络中具有极高的应用价值。超宽禁带半导体氧化镓（β-Ga₂O₃）因其超宽带隙（4.9 eV）、高质量原生衬底及成熟的器件加工技术，成为搭载过渡金属量子缺陷的理想宿主。尽管先前实验已在 β-Ga₂O₃ 中观察到一种位于电信 O 波段（1316 nm）且具备零场分裂等优良量子特性的铜相关缺陷发射，但其微观原子结构与物理来源一直未被阐明。
主要内容
宽带隙半导体中的量子缺陷已成为量子信息技术的有前景平台，它们提供可光学寻址的自旋态和单光子发射。由于与现有光纤基础设施兼容，在电信波长下发射的缺陷对量子网络应用尤其具有吸引力。在此，该团队采用第一性原理计算，将先前在 β-Ga₂O₃ 中观察到的电信发射体确定为氢化铜空位中心。该团队提出，先前观察到的 1316 nm 发射源自四种氢化铜空位构型中的一种。通过与早期实验表征（包括光致发光、光致发光激发和零场分裂）的比较，该团队得出结论，单氢化 ib 构型是最有可能的候选者。这些中心表现出自旋为 1 的基态，具有较大的零场分裂和强烈的零声子发射谱线：这些特性对量子应用至关重要。该团队的研究结果确立了氧化镓中的氢化铜空位中心作为有前景的电信量子缺陷，并为在宽带隙氧化物中设计量子发射体提供了路线图。
创新点
①精确揭示缺陷原子结构：结合第一性原理密度泛函理论（DFT）与多行列式约束 DFT（mcDFT）计算，证实先前实验中观察到的 1316 nm 电信波段发射源于加氢的铜-镓空位复合中心（Hydrogenated copper–vacancy center）。
②锁定最佳候选构型：在对比的四种氢化铜-空位构型中，确定单氢化的 Hᵢ−Cu−VibGa 构型为最可能的结构。其计算出的零声子线（ZPL 0.83 eV）、黄-昆因子（S=2.81）、光致发光激发光谱（PLE）峰值（1.62 eV）以及零场分裂参数（D, E）均与实验测量高度吻合。
③阐明氢在结构稳定中的关键作用：研究发现孤立的铜 3substitution 和 bare 空位在热力学上互相排斥（结合能为负），而结合间隙氢（H⁺ᵢ）能够有效中和库仑排斥力，大幅稳定该复合中心（结合能提高至 2.0 eV 以上），同时使活性 Cu³⁺ 氧化态在实验泵浦光（660 nm）下变得易于光激活。
④证实高品质量子发射特性：该复合中心具有自旋 triplet（Spin-1）基态和自旋 singlet 激发态，具备较弱的电子-声子耦合（形成极窄且清晰的 ZPL）以及光可寻址的激发态，是极具潜力的电信 O 波段量子光源与自旋量子比特平台。
总 结
综上所述，该团队的第一性原理计算确定了 β-Ga₂O₃ 中的氢化铜空位中心是 1316 nm 电信发射的来源。该团队提出了四种候选结构：Hᵢ−Cu−VibGa、2Hᵢ−Cu−VibGa、Hᵢ−Cu−VicGa 和 2Hᵢ−Cu−VicGa。其中，Hᵢ−Cu−VibGa 是最有可能的候选结构：其光致发光光谱、零声子线（ZPL）能量和零场分裂（ZFS）参数均与实验结果高度一致，且在已发表的实验条件下，活性 Cu³⁺ 电荷态是可实现的。其他三种构型也是合理的，并可能在掺铜 β-Ga₂O₃ 中共存。
图1. β-Ga₂O₃ 中的氢化铜空位中心。(a) 单氢化铜空位中心（Hᵢ−Cu−VⁱᵇGa）在其活性电荷态 2− 中的可视化。元素以颜色编码，如下图所示。与铜相邻的四面体位点上的镓空位以虚线轮廓显示。³A₂ 基态构型中两个空穴的电荷密度等值面以黄色显示。(b) 来自参考文献的实验光致发光（PL）图与该团队对与第一激发态相关的 Hᵢ−Cu−VibGa 的计算 PL 图进行比较。理论光谱已移动以匹配实验零声子线（ZPL）。(c) 示意图，说明在 β-Ga₂O₃ 的带隙内，基态（³A₂）、第一激发态（¹E）和第二激发态（³T₂）中下 t2g 三重态和上 eg 双重态的占据情况。
图2. β-Ga₂O₃ 中铜空位中心的可视化。左列显示 ib 构型，右列显示 ic 构型。各行显示具有不同结合氢原子数量的构型：顶行 0 个，中行 1 个，底行 2 个。插图显示晶格向量的方向。
图3. 在富氧条件下，β-Ga₂O₃ 中缺陷和复合物的形成能随费米能级的变化。（a）Cu−VibGa 及其氢化形式和组成缺陷：VibGa、CuGa(II) 和 Hi。（b）Cu−VicGa 及其氢化形式和组成：VicGa、CuGa(II) 和 Hi。给定费米能级处的线斜率等于平衡电荷态。用星号表示的 Cu2+/3+ 对应的电荷态转变能级：星号下方的电荷态表示 Cu 的氧化态为 3+，星号上方的电荷态表示为 2+。复合物不稳定的 Cu−Vib、icGa 的电荷态以虚线表示。红色波浪线表示与 Stehr 等人使用的 660 nm 泵浦激光相对应的能量：可通过光激发到达的转变能级位于红色虚线右侧。该团队提出了四种候选的氢化铜空位中心（Hᵢ−Cu−VibGa、2Hᵢ−Cu−VibGa、Hᵢ−Cu−VicGa 和 2Hᵢ−Cu−VicGa），其中 Hᵢ−Cu−VibGa 最有可能是观察到的电信光致发光（PL）的来源。
图4. β-Ga₂O₃ 中铜-空位缺陷的发光光谱。图（a）展示了 Cu−VibGa 及其氢化形式，图（b）展示了 Cu−VicGa 及其氢化形式。光谱进行了位移以匹配实验中的零声子线（ZPL）能量，ZPL 峰的高度被归一化为 1，且 ZPL 的展宽被调整以匹配实验中声子边带的相对高度。未绘制 CuGa(II)，因为其黄-里斯因子较小，在此比例下其声子边带不可见（见补充材料）。声子态密度和光谱函数也已在补充材料中绘制。
DOI：
doi.org/10.1063/5.0350234
