[論文レビュー] A Bright Single Photon Source Based on a Diamond Nanowire

Thomas M. Babinec, Birgit Hausmann+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2009

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、ダイヤモンドナノワイヤに埋め込まれた窒素・バケーション（NV）中心を用いた明るい、室温で動作する単一光子源を提案する。これは、バルクダイヤモンドと比較して光子収集効率を10倍に向上させ、低消費電力で動作する高機能な量子通信およびセンシング応用を可能にする。

ABSTRACT

The development of a robust light source that emits one photon at a time is an outstanding challenge in quantum science and technology. Here, at the transition from many to single photon optical communication systems, fully quantum mechanical effects may be utilized to achieve new capabilities, most notably perfectly secure communication via quantum cryptography. Practical implementations place stringent requirements on the device properties, including stable photon generation, room temperature operation, and efficient extraction of many photons. Single photon light emitting devices based on fluorescent dye molecules, quantum dots, and carbon nanotube material systems have all been explored, but none have simultaneously demonstrated all criteria. Here, we describe the design, fabrication, and characterization of a bright source of single photons consisting of an individual Nitrogen-vacancy color center (NV center) in a diamond nanowire operating in ambient conditions. The nanowire plays a positive role in increasing the number of single photons collected from the NV center by an order of magnitude over devices based on bulk diamond crystals, and allows operation at an order of magnitude lower power levels. This result enables a new class of nanostructured diamond devices for room temperature photonic and quantum information processing applications, and will also impact fields as diverse as biological and chemical sensing, opto-mechanics, and scanning-probe microscopy.

研究の動機と目的

• 実用的な量子技術に適した、頑丈で室温で動作する単一光子源の開発。
• 既存の単一光子発光素子における光子収集効率および消費電力の制限を克服すること。
• ナノスケールのダイヤモンド構造を活用して、NV中心からの光抽出を向上させること。
• スケーラブルで高機能なデバイスを、量子情報処理およびセンシング応用に向け実現すること。

提案手法

• ナノワイヤに卾の窒素・バケーション（NV）中心を統合し、光子抽出を向上させること。
• 制御された幾何形状を持つ構造化されたダイヤモンド基板を形成するためにナノフォトリソグラフィー技術を用いること。
• 光子収集の立体角を最大化するためにナノワイヤの寸法を最適化すること。
• 冷却装置を用いずに大気中条件下でデバイスを動作させること。
• 光子相関測定を用いて単一光子発光を特徴付けること。
• ナノワイヤとバルクダイヤモンドデバイスの間での光子収集効率を比較すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンドナノワイヤ構造は、NV中心からの単一光子の収集効率を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 このようなデバイスは、低消費電力で室温で効率的に動作することができるか？
• RQ3 ナノワイヤの幾何形状は、量子応用に向けた実用的でスケーラブルな単一光子源を実現可能か？
• RQ4 ナノワイヤにおける光子収集率は、バルクダイヤモンドと比較してどの程度か？

主な発見

• ダイヤモンドナノワイヤデバイスは、バルクダイヤモンド結晶と比較して単一光子収集を10倍に向上させた。
• このソースは室温で安定して動作し、冷却装置を必要としない。
• 従来のシステムと比較して、10倍低い消費電力レベルで光子生成効率が達成された。
• ナノワイヤ内のNV中心は、大気中条件下でも高い忠実度の単一光子発光を維持した。
• このデバイスは、光子および量子情報処理のための新しいナノ構造ダイヤモンドデバイスの分野を切り開いた。
• 向上した性能は、量子暗号、バイオセンシング、スキャンプローブ顕微鏡法などの応用を支援する。