[論文レビュー] Creation of multiple identical single photon emitters in diamond

Lachlan J. Rogers, Kay D. Jahnke+9 more|arXiv (Cornell University)|Oct 14, 2013

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 1

ひとこと要約

本論文は、低歪みボトムダイヤモンド中のケイ素バケーション（SiV−）中心を活用することで、低歪みの状態で高いスペクトル重なり（最大91%）と近似的に変換限界に近い線幅を示す、同一の単一光子発光体を多数生成することを示している。この手法により、外部の安定化が不要なスケーラブルで高精度な光子源が実現され、量子光学およびバイオイメージングの応用が前進する。

ABSTRACT

Emitters of indistinguishable single photons are crucial for the growing field of quantum technologies. To realize scalability and increase the complexity of quantum optics technologies, multiple independent yet identical single photon emitters are also required. However typical solid-state single photon sources are inherently dissimilar, necessitating the use of electrical feedback or optical cavities to improve spectral overlap between distinct emitters. Here, we demonstrate bright silicon-vacancy (SiV-) centres in low-strain bulk diamond which intrinsically show spectral overlap of up to 91% and near transform-limited excitation linewidths. Our results have impact upon the application of single photon sources for quantum optics and cryptography, and the production of next generation fluorophores for bio-imaging.

研究の動機と目的

• 量子技術に不可欠な多数の同一単一光子発光体を実現するスケーラブルなプラットフォームの開発。
• 外部フィードバックやキャビティに依存せずに、固体状態の単一光子源に内在するスペクトル非一様性を克服すること。
• 低歪みボトムダイヤモンド中のケイ素バケーション中心が、内在的なスペクトル安定性と狭い線幅を示すことを実証すること。
• 量子光学、量子暗号、次世代のバイオイメージング用フルオロフォアとしての実用的応用を可能にすること。

提案手法

• 低歪みボトムダイヤモンド中のケイ素バケーション（SiV−）中心を用いて、スペクトル非一様性を最小限に抑える。
• 低歪みダイヤモンド基板を用いることで、歪みに起因するスペクトルシフトを低減し、発光体の均一性を向上させる。
• スペクトル重なりと励起線幅の測定を通じて、同一性とコherー二ティを評価する。
• 高品質な単一光子放出を指標とする、近似的に変換限界に近い励起線幅を用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低歪みボトムダイヤモンド中のケイ素バケーション中心は、外部のスペクトル調整なしに高いスペクトル重なりを達成できるか？
• RQ2 低歪みダイヤモンド中のSiV−中心の内在的特性が、どの程度近似的に変換限界に近い線幅を実現できるか？
• RQ3 本手法を用いて、スケーラブルかつ安定的に多数の同一単一光子発光体を生成できるか？
• RQ4 SiV−中心のスペクトル重なりは、他の固体状態発光体と比較して、どの程度の同一性を示すか？

主な発見

• 低歪みボトムダイヤモンド中のケイ素バケーション（SiV−）中心は、最大91%の内在的スペクトル重なりを示し、高い同一性を示している。
• 発光体は近似的に変換限界に近い励起線幅を示しており、高いスペクトル純度とコherー二ティが確認された。
• 外部フィードバックや光学キャビティが不要であるにもかかわらず、高いスペクトル重なりが達成可能であり、スケーラブルな統合が可能である。
• 高い光子同一性を示すため、量子光学および量子暗号への応用に強く期待できる。
• バイオイメージング用の次世代フルオロフォアの開発を支援する結果であり、より優れたスペクトル安定性と発光度が実現可能である。