[論文レビュー] A Germanium-Vacancy Single Photon Source in Diamond

Takayuki Iwasaki, Fumitaka Ishibashi+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 30被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、室温で602 nmの明鋭なゼロフォノン線を示す、新規の室温単一光子源としてダイヤモンド中のゲルマニウムバケイアン（GeV）中心を紹介する。イオンドーピングと化学気相成長を用いて、著者らは高強度で再現性のある光励起発光を実証し、欠陥の電子構造に対する第一原理計算により単一光子発光を確認した。

ABSTRACT

Color centers in diamond are widely recognized as a promising solid state platform for quantum cryptography and quantum information processing. For these applications, single photon sources with a high intensity and reproducible fabrication methods are required. Here, we report a novel color center in diamond, composed of a germanium (Ge) and a vacancy (V) and named the GeV center, which has a sharp and strong photoluminescence band with a zero-phonon line at 602 nm at room temperature. We demonstrate this new color center works as a single photon source. Both ion implantation and chemical vapor deposition techniques enabled fabrication of GeV centers in diamond. A first-principles calculation revealed the atomic crystal structure and energy levels of the GeV center.

研究の動機と目的

• 量子情報技術向けに、強固で室温で動作する単一光子源の開発を目的とする。
• 高い光励起発光強度とスペクトル安定性を示す、ダイヤモンド中の新しい色中心の同定および特性評価を目的とする。
• イオンドーピングおよび化学気相成長技術を用いた、単一光子発光体のスケーラブルなプロセスの実現を目的とする。
• 第一原理計算を用いてゲルマニウムバケイアン中心の原子的および電子的構造を理解することを目的とする。
• 量子暗号や量子コンputングの応用に適した、単一光子発光の挙動を実証することを目的とする。

提案手法

• ゲルマニウムイオンを合成ダイヤモンド基板にドーピングすることで、GeV中心を生成する。
• 欠陥工学を目的として、高品質なダイヤモンド薄膜を化学気相成長（CVD）で成長させる。
• 室温での発光スペクトル、特に602 nmのゼロフォノン線を測定するための光励起分光法。
• 原子配置およびGeV中心のエネルギー準位を特定するための第一原理密度汎関数理論（DFT）計算。
• 2次相関測定（g(2)(0) < 0.5）による単一光子発光の特性評価。
• ドーピングおよびアニール条件の変動に対する欠陥生成および光学的性質の系統的分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド中のゲルマニウムバケイアン中心は、室温で明るく安定した単一光子源として機能可能か？
• RQ2 GeV中心の原子構造および電子エネルギー準位配置は何か？
• RQ3 イオンドーピングおよびCVD技術は、高い収率と再現性をもってGeV中心を信頼性高く生成可能か？
• RQ4 GeV中心の光励起発光スペクトルは、ダイヤモンド中の他の色中心と比較してどのように異なるか？
• RQ5 GeV中心は、高い不変性と低コストの多光子発光確率を示す単一光子を発光可能か？

主な発見

• GeV中心は、室温励起下で明鋭なゼロフォノン線（602 nm）を示し、高い強度を示す。
• イオンドーピングおよびCVDを用いたプロセスにより、ダイヤモンド中のGeV中心の再現性のある作成が可能である。
• 第一原理計算により、GeV中心がバケイアンに隣接する炭素格子サイトに置換したゲルマニウム原子から構成されていることが確認された。
• GeV中心は強力な光励起発光を示し、半値全幅は約1.5 nmであり、高いスペクトル純度を示している。
• 2次相関測定により、g(2)(0) < 0.5 であることが確認され、多光子発光が抑制されていることが示された。
• 優れた光学的特性とプロセス適合性のおかげで、GeV中心は量子フォトニクス回路へのスケーラブル統合の可能性を示している。