[論文レビュー] Coherent optical emitters in diamond nanostructures via ion implantation

Ruffin E. Evans, Alp Sipahigil+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、合成ダイヤモンドにシリコンイオンをイオンドーピングすることで、ダイヤモンドナノ構造において高品質で整合性のある光発光体を生成する手法を示している。これにより、ほぼ寿命制限に近い光学幅が達成され、遷移周波数の不均一分布が狭くなる。この技術はナノフォトニクス素子への統合に適しており、量子技術の分野で応用可能である。

ABSTRACT

The negatively-charged silicon-vacancy ($\mathrm{SiV}^{-}$) center in diamond is a bright source of indistinguishable single photons and a useful resource in quantum information protocols. Until now, $\mathrm{SiV}^{-}$ centers with narrow optical linewidths and small inhomogeneous distributions of $\mathrm{SiV}^{-}$ transition frequencies have only been reported in samples doped with silicon during diamond growth. We present a technique for producing implanted $\mathrm{SiV}^{-}$ centers with nearly lifetime-limited optical linewidths and a small inhomogeneous distribution. These properties persist after nanofabrication, paving the way for incorporation of high-quality $\mathrm{SiV}^{-}$ centers into nanophotonic devices.

研究の動機と目的

• 従来の成長法によるドーピングに依存しない、スケーラブルな高品質な単一光子発光体をダイヤモンドに作成するための手法を開発すること。
• イオンドーピングされたSiV⁻中心における不均一性による幅の拡大と広い光学幅の制限を克服すること。
• 整合性のあるSiV⁻発光体をナノフォトニクス素子に統合しつつ、その光学的特性を維持できるようにすること。

提案手法

• 成長後におけるシリコンイオンのイオンドーピングにより、合成ダイヤモンド基板にSiV⁻中心を生成する。
• ドーピング後のアニール処理により、結晶欠損を修復し、SiV⁻中心を活性化する。
• 格子欠損を最小限に抑えて欠陊形成の制御を向上させるために、低エネルギーイオンドーピングを用いる。
• 共焦点顕微鏡法とスペクトル解析を用いて、光学幅と不均一分布を測定する。
• イオンドーピング後にダイヤモンド構造をナノフォトニクス加工し、光学的特性の維持を評価する。
• ナノフォトニクス加工の前後における光学的特性を比較し、安定性とコherー二ティを評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 イオンドーピングにより、ダイヤモンド中のSiV⁻中心が、根本的な寿命制限に近い光学幅を達成できるか？
• RQ2 イオンドーピングおよびナノフォトニクス加工後においても、SiV⁻遷移周波数の不均一分布が狭いままであるか？
• RQ3 ナノフォトニクス素子の製造工程中に、ドーピングされたSiV⁻中心の光学的特性が維持されるか？
• RQ4 ナノスケールのダイヤモンド構造において、高精度な単一光子放出を実現できるか？
• RQ5 成長中に形成されたSiV⁻中心と比較して、ドーピングされたSiV⁻中心のコherー二ティはどのように異なるか？

主な発見

• ドーピングされたSiV⁻中心は、寿命制限に近い光学幅を示しており、高いコherー二ティと低デコherence率を示している。
• SiV⁻遷移周波数の不均一分布が顕著に狭くなり、アンサンブルアドレスの効率が向上した。
• ナノフォトニクス加工後もSiV⁻中心の光学的特性が維持されており、ナノフォトニクス統合への適合性が確認された。
• 本手法により、結晶成長過程でのイン・サイトドーピングを必要とせず、高品質な単一生光子発光体を生成できる。
• 本研究の結果は、量子情報応用を想定した光回路への整合性のあるSiV⁻発光体のスケーラブルな統合への道筋を示している。