Research Focus

固态掺杂发光材料被广泛应用于光谱学研究及固态激光器制备等领域，进一步小型化的发展与研究，如纳米材料及单光子源的发展，可应用于生物传感探测、精密测量及量子技术等前沿领域。其未来的发展和成功对基础学科研究及社会经济发展具有重大意义。在各类固态掺杂发光材料中，稀土掺杂材料因其丰富的电子能级和优越的光学性质受到广泛的关注和重视，可实现在高性能固态激光与大功率照明等面向国家重大需求的应用。与此同时，发展基于稀土掺杂的单光子源有望实现量子保密通讯、量子模拟与量子计算等应用。通过对于单个掺杂稀土离子的探测与调控，可以在最根本、最微观的尺度研究其谱学性质，消除非均匀展宽、各项异性、偶极矩耦合、相邻能量传递等影响，更深入理解与调控掺杂稀土离子谱学性质，实现各类相关应用。然而，针对单个掺杂稀土离子的探测与研究面临诸多挑战，如晶体纯度过低、晶体中单个掺杂稀土离子信号难以探测、微波-光学联动困难、精准自旋调控困难等。在之前的三十多年里，物理学家和化学家们对做了种种尝试都没有实现光学探测单个掺杂稀土离子的突破。

图：单个稀土离子探测时间表，绿色为我们的工作。

聚焦以上科学问题，近年来我们致力于光学探测单个掺杂稀土离子，实现单个掺杂稀土离子光学与自旋操控。开展了一系列创新工作，其中主要包括有：

1.发展超纯样品制备、高效率光学探测及微纳光子学加工技术，突破样品纯度和探测技术限制，实现国际首次单个掺杂稀土离子的光学探测。

单个掺杂稀土离子在固态掺杂发光材料具有重要应用价值。然而，自1980年代(Europhys. Lett. 6, 499 (1988))开始直到2012年的20多年研究中，以探测单个掺杂稀土离子的尝试均未取得成功。光学探测单个掺杂稀土离子到多方面的挑战，主要包括有样品中掺杂的纯度和光学探测技术的限制。通常情况下，样品内稀土离子杂质浓度仅仅低到~1 ppm, 1/10⁶，在常规光学探测技术之下，该浓度仍然太高而无法实现单个掺杂稀土离子分辨。另外，稀土离子4f态光学寿命长，针对4f-4f跃迁的发光，荧光强度弱、探测效率低，受到传统光学显微技术收集效率的限制，使得信噪比低，从而无法将微弱信号从背景中有效区分出来。

我们针对这些难点，通过制备超纯晶体、搭建高探测效率无背景激光扫描光学显微镜、以及发展相关微纳光学器件等手段，逐步实现了单个掺杂稀土离子的光学探测。首先，在提高样品掺杂纯度方面，将Pr³⁺与Ce³⁺在晶体中掺杂浓度降低4个数量级，使得纯度分别达到50 ppt (5/10¹¹)与70 ppt(7/10¹¹)，实现了显微聚焦范围内激光仅激发单一掺杂离子的样品基础。与此同时，在检测方法上，并通过搭建高探测效率上转换显微扫描成像平台，发展了激发稀土离子上转换荧光的方式，将掺杂稀土离子发光效率由125 kHz提高到55 MHz，提升了3个数量级，并实现了无背景探测，有效提高信噪比。在国际上首次实现固态单个掺杂稀土离子(Pr³⁺:YAG)光学探测，成功研制了新型室温固态稀土离子无背景上转换荧光单光子源，其具有稳定性强及信噪比高等诸多优越性。继而完成了对单个掺杂Ce³⁺的光学探测，并制备室温单个掺杂Ce离子单光子源。相关成果分别发表在 Nat. Commun. 3, 1029 (2012) ，Phys. Rev. Lett. 111, 120502, (2013)。

 在后续工作中，针对掺杂稀土离子在特定的光学跃迁下，激发态寿命长，但发光效率低，直接光学探测受限的主要问题。将稀土离子与光学腔耦合，可以通过腔量子电动力学效应调控掺杂稀土离子发光，缩短掺杂稀土离子的寿命提高单个离子探测效率。这一方向目前仍是当下掺杂稀土离子研究的前沿重点与难点。我们设计并制备出高品质因子电光可调稀土掺杂铌酸锂光学微腔，形成集成化可调量子光控平台。该平台将掺杂离子与光学腔耦合，利用腔量子电动力学中的Purcell效应，通过缩减掺杂稀土离子激发态寿命，提高荧光强度。在腔量子电动力学的作用下，将耦合Yb³⁺离子光学寿命减短至1/10、零声子线的德拜-沃勒因子提高近4倍，有效提高了发光效率，并成功探测到光腔内单个Yb³⁺离子。该工作实现了单个掺杂稀土离子发光性质的高速调控，为进一步组件集成片上单光子源奠定了坚实基础。该工作发表在Optica 9, 445 (2022)。

另外，在提高单个掺杂稀土离子在晶体中的探测方面，我们与合作者共同发展超分辨显微成像的新方法，空间分辨率达到30 nm。并首次实现基于掺杂稀土离子的上转换超分辨成像与单个掺杂离子超分辨成像。 该工作发表于Phys. Rev. B 84, 153413 (2011)、Phys. Rev. Lett. 120, 033903 (2018) 。

2. 发展光谱-自旋调控关键技术，研究掺杂稀土离子精密谱学，将单个掺杂稀土离子体系拓展为自旋量子体系。

光学探测单个掺杂稀土离子为研究掺杂稀土离子精密光谱测量与自旋调控提供新平台。对于其自旋的操控，需在低温下将单个掺杂离子自旋初始化，并通过光谱-微波关联调控技术中一系列复杂的时间域-频率域-空间域关联调控手段操控单个掺杂稀土离子自旋并测量其发光性质变化。

我们进一步研发低温光谱-自旋关联调控技术，搭建了低温共聚焦激光扫描显微镜并整合基于微波的量子调控技术，寻找单个稀土离子特定选择定则，通过光学手段初始化单个掺杂稀土自旋，使用光泵磁共振、动力学解耦、电磁传感透明等手段操控并测量单个掺杂稀土离子精密光谱与自旋性质。在光谱研究中克服Pr³⁺离子光谱50 GHz非均匀展宽限制，探测到单个离子5 MHz精密光谱，将光学线宽降低4个数量级。在自旋调控中量子调控单个Ce³⁺离子发光性质，将单个Ce离子自旋相干时间从200 ns到2 ms提升4个数量级等。相关研究成果发表在Nat. Commun. 5, 3895, (2014)，Phys. Rev. Lett. 115, 093602 (2015) 。我们一系列的工作将单个掺杂稀土离子从单光子源拓展为新的光操控自旋量子体系。同时单个掺杂稀土离子光学与自旋的调控的成功实现，使得其成为富有前景的光控自旋量子新体系，并有望将其应用于量子计算与纳米尺度精密测量。