[論文レビュー] Coupling of deterministically activated quantum emitters in hexagonal boron nitride to plasmonic surface lattice resonances

Nicholas V. Proscia, Collison, Robert J.+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 76被引用数 236

ひとこと要約

本研究では、六方炭化ホウ素（hBN）中の室温単一光子発光体を銀ナノピルアレイにおけるプラズモン的表面格子共鳴（SLR）にスケーラブルかつ決定的（deterministic）に結合することを示した。ナノピルアレイのパターン形成による基板応力の制御により、hBNの色中心が活性化され、拡散化されたSLRモードと強く結合し、強化され、方向性があり、スペクトル的に変更された発光が得られた。これにより、発光制御が調整可能なオンチップ量子フォトニクス応用が可能になった。

ABSTRACT

Cooperative phenomena stemming from radiation-field-mediated coupling between individual quantum emitters are presently attracting broad interest for on-chip photonic quantum memories and long-range entanglement. Common to these applications is the generation of electromagnetic modes over macroscopic distances. Much research, however, is still needed before such systems can be deployed in the form of practical devices, starting with the investigation of alternate physical platforms. Quantum emitters in two-dimensional (2D) systems provide an intriguing route because these materials can be adapted to arbitrarily shaped substrates to form hybrid systems where emitters are near-field-coupled to suitable optical modes. Here, we report a scalable coupling method allowing color center ensembles in a van der Waals material - hexagonal boron nitride - to couple to a delocalized high quality plasmonic surface lattice resonance. This type of architecture is promising for photonic applications, especially given the ability of the hexagonal boron nitride emitters to operate as single-photon sources at room temperature.

研究の動機と目的

• hBN色中心発光体をフォトニクスモードにスケーラブルかつ決定的に活性化・結合する手法の開発。
• 拡散化されたプラズモン的表面格子共鳴（SLR）を介した長距離発光体相互作用の実現。
• 2次元ファンデルワールスヘテロ構造を用いて、室温単一光子源からの方向性およびスペクトル的に変更された発光の工学的制御。
• 欠陥由来発光体とプラズモン的ナノ構造の統合を実証し、オンチップ量子フォトニクスを実現。

提案手法

• ピッチ（220–2000 nm）と直径（50–400 nm）を調整可能な周期的銀ナノピルアレイを電子線リソグラフィーで作製。
• 湿式転写法を用いて、CVD法で成長した20-nm厚のhBNフラケットをAgアレイ上に堆積し、ファンデルワールスヘテロ構造を形成。
• ナノピルアレイに起因する応力による基板工学的手法を用い、hBN色中心を明るい放射状態に決定的に活性化。
• 発光の方向性とスペクトル応答をマップするため、角度分解型フォトルミネッセンス（PL）および共焦点顕微鏡を実施。
• 時間分解型PLおよび2次相関関数（g(2)(0)）を測定し、単一光子発光および発光体のダイナミクスを確認。
• クエンチングを防止し、プラズモンモードの完全性を維持するため、Al2O3キャッピング層（10 nm）を形成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケーラブルでパターン化された幾何形状における基板由来応力によって、hBN色中心の決定的活性化が可能か？
• RQ2 プラズモン的表面格子共鳴（SLR）への結合が、hBN発光の方向性およびスペクトルプロファイルにどのように影響を与えるか？
• RQ3 SLRモードは、2次元材料中の室温単一光子源からの発光をどの程度強化し、方向性を制御できるか？
• RQ4 集団的SLRモードは、空間的に分離された独立したhBN発光体間の長距離相互作用を媒介できるか？
• RQ5 発光体密度および空間的局在性は、観察された結合効率および発光特性にどのような役割を果たすか？

主な発見

• 345-nmピッチ、150-nm直径のAgナノピルアレイは、最大の発光コントラストを示し、SLRモードへの強い結合を確認した。
• hBN発光は非常に方向性を示し、高角においてSLR分散と一致した。赤方偏光領域で発光強度が増強された。
• 角度分解型PLでは、2000-nmピッチアレイ（SLRを支持しない）では分散が認められず、観察された効果の原因がSLR誘発のスペクトル的および角度的変更であることを確認した。
• 共焦点イメージングにより、ナノピルアレイ上よりもhBN領域からの発光が優位に観察され、破損または非構造的領域では発光強度が著しく低下した。
• 時間分解型PLでは、発光体の間欠的点滅（1秒スケール）が観察され、複数の発光体が明るい状態と暗い状態を交互に遷移した。
• g(2)(0) = 0.54 ± 0.04 により、孤立発光体からの単一光子発光が確認され、100-nm直径ピルアレイでは信号に2個以下の発光体が寄与していた。