在量子通信中，光纤是信息传输的“高速公路”，单光子是承载信息的“车辆”。然而，现有的大部分单光子源只能“行驶”在可见光或近红外路段，无法直接驶入通信波段（1260~1625纳米）这条“高速路”，导致传输效率大打折扣。
宁波东方理工大学理学部物理学院讲席教授魏苏淮团队与合作者，首次建立了金刚石色心零声子线波长的化学设计规则，并据此预测出一种具有本征通信波段发光的新型色心单光子源。这一成果为定向设计量子材料提供了全新思路。日前，相关论文发表于国际顶级期刊《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
为量子通信找到“原生”信使
量子网络依赖单光子传输信息。若单光子源能直接工作在通信波段，就能天然兼容现有光纤基础设施，大幅降低传输损耗。
然而，自然界中理想的单光子源——金刚石色心，其零声子线大多位于可见光或近红外区域。实验上虽可通过量子频率转换技术“迁就”通信需求，但系统复杂、效率损失等问题也随之而来。
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。
从“大海捞针”到“按图索骥”
魏苏淮团队将目光锁定在金刚石中一类具有反演对称性的“空位-杂质-空位”（V-I-V）色心体系上。这类色心天然抑制谱线漂移，具备窄线宽、高相干性的先天优势，是理想单光子发射器的候选者。
研究团队结合第一性原理计算与群论分析，揭示了这类色心发光波长的调控机制：
两大关键因素：杂质原子的原子尺寸与轨道能级，共同决定了成键态与反键态之间的能级差，即零声子线的波长。
统一的化学设计规则：对于满占据d轨道的较重元素，杂化和应变效应会增大能级分裂，产生更短波长发光。而对于缺少d轨道的较轻元素，则更容易实现长波长发光。
这一规则，将色心发光波长与杂质原子的微观属性直接关联起来，实现了从“经验筛选”到“定向设计”的根本转变。
通信波段新“信使”现身
基于上述设计规则，研究团队确定了一个极具潜力的通信波段色心单光子源——负三价“V-Mg-V”色心（MgV³⁻）。
MgV³⁻色心的本征光学性质以及随晶格应变变化的零声子线
计算显示，该色心的零声子线位于1448纳米，完美覆盖通信波段。更令人振奋的是，它具有极弱的电子-声子耦合，其Huang-Rhys因子仅为0.0607，对应Debye-Waller因子高达94.1%。这意味着其绝大部分发光都集中在零声子线通道，具备优异的光学相干性和高质量单光子发射潜力。
为量子材料设计点亮明灯
“这项研究首次将杂质原子的原子尺寸、轨道能级与色心光学跃迁波长直接关联起来，为通信波段发光色心的定向设计，提供了明确的理论依据。”第一作者邱晨表示。
这一成果不仅揭示了金刚石色心零声子线的微观起源，其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了普适方法，有望加速固态量子器件走向实用化的进程。据悉，魏苏淮课题组博士后邱晨为论文第一作者，魏苏淮与中国科学院半导体研究所邓惠雄研究员为本文共同通讯作者。梁汉普、耿松源、陈颖、晏晓岚为本研究做出了贡献。
魏苏淮
宁波东方理工大学讲席教授、物理学院院长，国家特聘专家，美国物理学会会士，美国材料研究学会会士。他在半导体能带理论、缺陷与合金物理、能源与光电材料设计、计算方法等方面取得了大量原创性成果，发表Nature、Nature子刊、Science子刊等论文600余篇。
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.6c02983
