色心是固体中具有光学活性的类原子晶体缺陷。近年来，随着色心在量子信息技术、超灵敏探测、生物标记与传感等领域不断实现新突破，色心的制备技术也受到越来越多的关注。
激光直写色心的示意图
要实现色心的量子技术应用，首先就需要具备色心的精确制备能力。在过去的几十年中，研究者投入了大量的精力来发展多种色心制备技术，包括化学气相沉积(CVD)，热退火，应力工程，电子辐照，离子注入等。然而这些技术都难以实现在材料内部任意位置精确制备色心，限制了色心与微纳光学结构集成的空间自由度。举例来说，CVD生长的方法可以很好地通过生长时间控制色心的浓度，并掺杂特定的杂质元素，但是色心的空间位置难以控制。扫描探针技术可以在原子尺度上引入/控制单个缺陷，但色心的制备过程耗时且操作难度大。最常用的离子或电子辐照，常常对材料晶格造成额外的损伤，降低色心的自旋和光学相干特性。飞秒激光直写技术对材料的加工基于多光子吸收等非线性过程，利用激光脉冲在晶体内部焦点处沉积能量，能有效地在实现三维微纳制造，且沿光路不造成晶格损伤。这种三维的制造能力，为色心的量子集成提供了一种非常有前景的方案。
图一 固态量子体系中的色心及主要的量子应用
清华大学精密仪器系孙洪波教授领导的纳米光学课题组总结了采用飞秒激光直写的方式在各种固态量子材料中加工色心的策略。文章从色心在量子技术中的重要应用及目前面临的挑战出发，从飞秒激光直写的原理及突出优势来讨论并总结了飞秒激光在各类量子材料体系中直写色心的当前进展。主要的量子材料体系包括晶体材料：金刚石，碳化硅等，低维量子材料：二维材料，单壁碳纳米管，和半导体量子点。讨论了当前色心在面向实际应用中存在的主要挑战，以及利用飞秒激光直写技术来优化和解决这些挑战的可能。此外，他们还讨论了利用激光直写技术加工色心独特的应用前景。
研究者相信，激光在色心制备方面具有巨大的潜力，该论文为在激光在量子光子芯片的制备应用提供了有价值的指导。该工作以题为“Laser Writing of Color Centers”作为综述文章发表于Laser & Photonics Reviews上。 (DOI:10.1002/lpor.202100029)。 清华大学精密仪器系博士生王晓杰为该文第一作者，方红华副教授和孙洪波教授为论文的共同通讯作者。此项研究得到了国家自然科学基金委的资助。
图二：激光直写色心的主要原理