[論文レビュー] Coherence properties of electron beam activated emitters in hexagonal boron nitride under resonant excitation

Jake Horder, Simon White+7 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 60被引用数 47

ひとこと要約

本研究では、5 Kにおける六方窒化硼素（hBN）中の電子ビーム生成青発光体のコherentな光学的性質を調査した。共鳴励起と2次相関測定を用いて、1 μWの励起条件下で最大0.90 nsのコherency時間を持つラビ振動を実証し、hBN欠陥を基盤とするスケーラブルな量子技術にとって不可欠な、コherentな重ね合わせ状態の維持が可能であることを確認した。

ABSTRACT

Two dimensional materials are becoming increasingly popular as a platform for studies of quantum phenomena and for the production of prototype quantum technologies. Quantum emitters in 2D materials can host two level systems that can act as qubits for quantum information processing. Here, we characterize the behavior of position-controlled quantum emitters in hexagonal boron nitride at cryogenic temperatures. Over two dozen sites, we observe an ultra-narrow distribution of the zero phonon line at ~436 nm, together with strong linearly polarized emission. We employ resonant excitation to characterize the emission lineshape and find spectral diffusion and phonon broadening contribute to linewidths in the range 1-2 GHz. Rabi oscillations are observed at a range of resonant excitation powers, and under 1 ${\mu}$W excitation a coherent superposition is maintained up to 0.90 ns. Our results are promising for future employment of quantum emitters in hBN for scalable quantum technologies.

研究の動機と目的

• 低温下における電子ビーム駆動青発光体のコherencyおよびスペクトル安定性を特徴づけること。
• スペクトル拡散およびフォノン補助再結合を含む線幅拡張のメカニズムを調査すること。
• 単一光子発光体におけるラビ振動を用いたコherentな光学的制御を実証すること。
• これらの発光体がスケーラブルな量子情報技術に与える可能性を評価すること。

提案手法

• 個々の発光体の発光スペクトル形状およびコherency特性を調査するため、可変波長Ti:サファイアレーザーを用いた共鳴励起。
• ハナリー・ブラウン・トゥイスト装置を用いた2次相関（g(2)）測定により、励起パワーを変化させた条件でのラビ振動を検出。
• 時間分解光励起分光および偏光測定を実施し、発光双極子の配向および分極率を特定。
• 光励起分光（PLE）分光法を用いてゼロフォノン線をマッピングし、時間経過に伴うスペクトル拡散を評価。
• 405 nmレーザーを用いて非共鳴励起を実施し、寿命測定および相関測定におけるバックグラウンド補正を実施。
• ラビ振動データを関数 g(2)(τ) = 1 + |g(1)(τ)|^2 にフィットし、T1、T2*、およびΩR/2πのパラメータをフィットから抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低温下における電子ビーム生成青発光体で、コherentな重ね合わせ状態を維持できるか？
• RQ2 線幅拡張の主な寄与要因はスペクトル拡散かフォノン補助再結合か？
• RQ3 ラビ周波数は励起パワーにどのように依存するか？これは電気双極子モーメントの強さに何を示唆するか？
• RQ4 発光の偏光は、hBN結晶格子の対称性とどの程度相関しているか？
• RQ5 コherency時間およびスペクトル安定性を考慮すると、これらの発光体は高精度な2光子干渉を実現できるか？

主な発見

• 46個の発光体サイトにおけるゼロフォノン線（ZPL）波長は非常に一貫しており、平均は435.98 nm ± 0.21 nmで、狭いスペクトル分布を示している。
• 0.1 μWから2 μWの励起パワー範囲で、g(2)(τ)測定においてラビ振動が観測され、光学遷移のコherent制御が確認された。
• 1 μWの励起条件下で、純粋な位相崩壊時間T2*は1.13 nsで測定され、コherency時間T2は0.90 nsに達した。
• ラビ周波数は励起レーザーのパワーの平方根に比例して線形に増加し、電場振幅に予想される依存関係が確認された。
• PLEモニタリングを280秒にわたり継続したが、スペクトル拡散は観測されず、高いスペクトル安定性が示された。
• 偏光測定の結果、発光双極子の配向とhBN格子対称性との間に強い相関は認められず、高対称性欠陥構造の欠如を示唆した。