量子计算与量子通信等量子技术的发展，依赖对光与物质相互作用的精确操控。其中，能够稳定产生单光子的发射体被视为构建量子网络的重要基础。

研究人员近年来关注硅中的“色心”缺陷体系。色心是硅晶体结构中的原子级缺陷或不规则排列，可在特定条件下发射光子。新兴的硅T中心因其发光波长位于光纤互联网电缆已使用的波段，被认为适合用于量子网络与量子通信系统。

西蒙弗雷泽大学（Simon Fraser University）、Photonic Inc.以及美国海军研究实验室（U.S. Naval Research Laboratory）的研究团队在最新工作中报告称，通过在T中心中使用较重的氢同位素，可显著延长其在发光前保持激发态的时间，从而提高单光子产生效率。相关论文已发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）。

论文共同第一作者Moein Kazemi在接受Phys.org采访时表示，T中心由硅晶格中的两个碳原子和一个氢原子组成，氢可为常见的较轻同位素氕，也可为较稀有的较重同位素氘。由于同位素质量差异，缺陷体系的光学跃迁会出现细微变化，而同位素相关位移也常被用于辅助理解色心的原子结构。

研究团队称，此次发现源于对另一种硅色心M中心的研究线索。论文共同资深作者Daniel Higginbottom表示，在此前对M中心的实验中，研究人员使用不同的碳与氢同位素制备样品，观察到激发态寿命随同位素变化而改变的现象。随后团队将这一思路扩展到T中心，并对不同同位素变体的寿命进行测量。

根据研究结果，氘化T中心的激发态寿命为常见氕变体的5.4倍。研究人员进一步指出，氘化T中心的寿命接近在不存在非辐射衰减情况下的预期值，意味着其作为发射体的效率更高。

在实验设计上，团队制备了三类T中心样品：一类含天然碳与氢同位素、以氕T中心为主；第二类通过扩散引入氘，使氘化T中心成为主导变体；第三类富集碳-13，以获得不同碳同位素构型的T中心。Higginbottom表示，硅样品由德国IKZ的合作者Nikolay Abrosimov团队生长，该团队曾为Avogadro项目开发高纯硅材料生长技术，并为本研究提供了具有不同碳同位素分布的专用样品。

为形成T中心，研究人员对样品进行高能粒子照射，并通过退火（加热至控制温度后冷却）处理。测量时，样品被置于反射腔支架以尽可能收集发射光子，并浸入液氦或氦蒸气中以维持低于4K的低温环境。团队使用傅里叶变换红外光谱仪获取光致发光谱，并首次测量到C–H局部振动模式；研究人员据此确认，在氘化T中心中，C–H伸缩模式能量更低，可能抑制通过该模式发生的振动衰减。

在寿命测量方面，研究人员使用可精确调谐的激光分别共振激发不同同位素变体，并通过脉冲共振激发结合时间分辨单光子探测器记录光子到达时间，从而得到激发态寿命。研究团队表示，若其判断成立，氘化T中心效率可超过90%，这将为“硅也能承载高效色心发射体”提供有力证据。

研究还对能量损失机制给出指向性结论。Higginbottom称，非辐射衰减率对氢同位素表现出强烈依赖，表明该过程与T中心内部C–H键的局部振动模式有关。来自美国海军研究实验室的合作者Mark Turiansky与John Lyons对衰减过程进行建模后指出，标准的“受激模式”振动衰减建模方法在该体系中无法适用；团队提出仅考虑C–H伸缩模式的简化假设，可较好匹配实验并复现显著的同位素依赖。

研究人员基于该简化模型的初步估计认为，氘化T中心效率可能超过98%，并称Turiansky正在开发纳入多种原子振动类型的更完整理论模型。

团队同时指出，全球多个研究团队及其工业合作伙伴Photonic Inc.正在将T中心推进为量子网络与量子计算平台。研究人员称，更高效率的T中心意味着更高效的纠缠分发与更优的量子设备性能；其中，氘化T中心的效率提升预计将改善“光学循环性”，即电子自旋量子比特在光学激发下保持不变的概率。

研究人员估计，氘化T中心在需要重置前，可在基态与激发态之间实现约为氕T中心300倍的光学循环次数。Higginbottom表示，T中心的发射寿命有助于实现电子自旋的单次读出，并可加速基于T中心的量子操作；其团队正将实验室中的T中心器件升级为氘化版本，Photonic Inc.也已将相关结果纳入研发流程。

在后续工作方面，Kazemi表示，团队计划对T中心所有可能同位素变体的基本振动模式进行系统研究，以更精确理解振动结构对光学性质的影响。与此同时，Higginbottom研究组正在开发将T中心与纳米光子学及电子电路集成的器件，并希望在未来几年展示基于T中心器件作为量子网络枢纽的应用。Higginbottom补充称，T中心发射波长位于光通信O波段，适合在已部署光纤上实现数十公里范围的纠缠分发与安全量子通信。