第一性原理计算揭示金刚石色心零声子线波长化学设计规则

近日，宁波东方理工大学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。研究团队结合第一性原理计算与群论分析，建立了金刚石“空位-杂质-空位”（V-I-V）型色心零声子线波长的化学设计规则，揭示了杂质元素的原子尺寸与轨道能级如何协同调控色心发光波长，并据此预测出一种具有本征通信波段发光的全新“V-Mg-V”色心单光子源。相关成果以“Chemical Control of Zero-Phonon Line Wavelength in Diamond Color Centers for Telecom-Band Emission”为题，发表在国际顶级期刊 Journal of the American Chemical Society，DOI：10.1021/jacs.6c02983

研究背景

量子信息科学的核心目标之一是建立能够在数十到数千公里范围内安全互联量子节点的量子网络。此类网络基于光纤中传播的单光子编码的量子信息传输支持多种前沿应用，包括分布式量子计算、网络化量子传感，以及全球量子通信。对于这类应用而言，单光子发射器若能直接工作在通信波段（1260~1625 nm, 0.763~0.984 eV），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，已知的色心单光子源的零声子线主要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单光子源，这已成为制约固态量子器件进一步走向实用化的根本瓶颈。

长期以来，实验上通常借助量子频率转换技术，将可见光或近红外波段的单光子转换至通信波段，以满足远距离量子通信需求。尽管该路线已经取得一系列重要进展，但仍面临系统复杂、转换效率损失以及集成难度较高等问题。因此，直接设计通信波段的新型色心单光子源，成为该领域亟待突破的关键科学问题。

研究内容

该研究聚焦于金刚石中一类具有反演对称性的 V-I-V 色心体系。此类色心由一个替位杂质原子与相邻双空位共同构成，因其保留反演对称性，可有效抑制永久偶极矩引起的谱线漂移，具备实现窄线宽、高相干单光子发射的先天优势。研究团队采用基于 HSE06 杂化泛函的第一性原理计算，并结合群论分析，系统研究了图一所示多类杂质原子引入后对色心电子结构与光学跃迁的影响，建立了调控零声子线波长的统一化学设计规则。

图1 金刚石中双空位与“空位-杂质-空位”的局部结构以及轨道耦合示意图。

研究表明，V-I-V 色心的零声子线本质上起源于晶格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。对于满占据 d 轨道的较重元素，其轨道杂化和应变效应会增大成键-反键能级分裂，从而产生更短波长发光；而对于缺少占据 d 轨道的较轻元素，相关耦合较弱，更容易实现长波长发光。由此，研究首次建立了金刚石色心零声子线波长的统一化学调控规则，为通信波段发光色心单光子源的定向设计提供了明确理论依据。

图2 MgV^3-色心的本征光学性质以及随晶格应变变化的零声子线。

在这一设计规则指导下，研究团队确定负三价“V-Mg-V”色心（MgV^3-）是极具潜力的通信波段色心单光子源。计算结果显示，MgV^3-色心的零声子线位于 1448 nm，进一步的光谱分析表明，该色心具有极弱的电子-声子耦合，其 Huang-Rhys 因子仅为 0.0607，对应 Debye-Waller 因子高达 94.1%，表明其大部分发光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。

关键性突破

本研究首次建立了金刚石 V-I-V 色心零声子线波长的统一化学设计规则，将杂质元素的原子尺寸、轨道能级与色心光学跃迁波长直接关联起来，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。该成果不仅揭示了金刚石色心零声子的微观起源，研究中建立的理论方法和设计思路还可推广至其他宽禁带材料与固态缺陷体系，为新型量子发光材料的发现和优化提供普适方法。

PWmat的计算贡献

PWmat 能够高效开展数百原子规模的杂化泛函计算，甚至支持基于杂化泛函的结构弛豫。这一能力可有效避免纯泛函中自相互作用误差引起的缺陷能级偏差，而这对于准确计算与缺陷能级密切相关的色心零声子线能量尤为关键。也正是依托 PWmat 在大体系杂化泛函计算方面的优势，本文得以采用 512 原子大超胞开展研究，并获得了与实验测量高度一致的结果。

PWmat 提供了丰富而完善的计算模块，并配套新手友好的操作教程，为相关研究提供了有力支撑。其中，Huang–Rhys 因子计算模块帮助作者对色心零声子线的光谱性质进行了有效验证，进一步增强了理论结果的可靠性。