[論文レビュー] Enhanced widefield quantum sensing with nitrogen-vacancy ensembles using diamond nanopillar arrays

Daniel J. McCloskey, N. Dontschuk+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 7, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 26被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、密度の高い近接表面窒素空位（NV）集合体を有するダイヤモンドナノピラー配列を用いて、ワイドフィールド量子センシングを向上させる手法を提案する。ナノピラーにダイヤモンドをパターニングすることにより、光励起放射収率が11倍以上向上し、スピンおよび光学的性質が向上することで、測定感度が3倍以上向上し、最小限のプロセス由来ひずみで高分解能の応力テンソルイメージングが可能となった。

ABSTRACT

Quantum sensors based on optically active defects in diamond such as the nitrogen vacancy (NV) centre represent a promising platform for nanoscale sensing and imaging of magnetic, electric, temperature and strain fields. Enhancing the optical interface to such defects is key to improving the measurement sensitivity of these systems. Photonic nanostructures are often employed in the single emitter regime for this purpose, but their applicability to widefield sensing with NV ensembles remains largely unexplored. Here we fabricate and characterize closely-packed arrays of diamond nanopillars, each hosting its own dense, near-surface ensemble of NV centres. We explore the optimal geometry for diamond nanopillars hosting NV ensembles and realise enhanced spin and photoluminescence properties which lead to increased measurement sensitivities (greater than a factor of 3) when compared to unpatterned surfaces. Utilising the increased measurement sensitivity, we image the mechanical stress tensor in each nanopillar across the arrays and show the fabrication process has negligible impact on in-built stress compared to the unpatterned surface. Our results demonstrate that photonic nanostructuring of the diamond surface is a viable strategy for increasing the sensitivity of ensemble-based widefield sensing and imaging.

研究の動機と目的

• 欠陥中心の光学的およびスピン的性質を設計することで、ダイヤモンド中のNV集合体を用いたワイドフィールド量子センシングの感度を向上させること。
• バルクダイヤモンドNVシステムにおける光子収率の制限がワイドフィールドイメージングにおける測定感度を制限する問題を解決すること。
• ダイヤモンドナノピラーによるフォトニクスナノリソグラフィーが、集合体ベースのセンシングにおける光学的収率およびスピンコherencesを向上させることを検討すること。
• ナノスケールダイヤモンドデバイスにおける機械的応力の高分解能ワイドフィールドイメージングに、ナノピラー配列を用いる可能性を実証すること。
• パターン加工がNVを含むピラー内の内在的機械的ひずみに与える影響を、パターン加工なしの表面と比較して評価すること。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングを用いて、400 nm〜1000 nmの直径を有する密なダイヤモンドナノピラー配列を製造した。
• ナノピラーの先端に窒素イオンをイオンドーピングして、全4つの結晶学的方位を有する高密度な近接表面NV中心集合体を形成した。
• ワイドフィールド光励起放射（PL）イメージングおよび光学的に検出された磁気共鳴（ODMR）スペクトルイメージングを実施し、配列全体におけるスピンおよび光学的応答をマップした。
• ODMRピークのシフトを用いて、1ピラー単位（サブミクロンスケール）の空間分解能で機械的応力テンソル成分（σ_axial、σ_xy、σ_yz、σ_xz）を再構成した。
• ナノピラーに担持されたNV集合体と無構造なダイヤモンド表面との間で、PL強度、T₁、T₂、T₂*緩和時間を比較し、感度向上を定量した。
• 全8つのODMRピークをNVスピンハミルトニアンにフィッティングする応力テンソル再構成法を用いて、完全な応力成分を抽出した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンドナノピラー配列は、ワイドフィールド量子センシングに用いるNV集合体の光子収率およびスピンコherencesを向上させ得るか？
• RQ2 NV集合体感度を最大化するとともにスピンコherencesを維持する最適なナノピラー幾何形状（直径およびピッチ）は何か？
• RQ3 ナノピラーのプロセス加工がダイヤモンド材料内の内在的機械的ひずみに与える影響はどの程度か？
• RQ4 ナノピラーを用いたNV集合体は、ナノスケールでの機械的応力の高分解能ワイドフィールドイメージングを可能にするか？
• RQ5 ナノリソグラフィーによる感度向上が、無構造なダイヤモンド表面と比較して、ODMRスペクトルイメージングの観点から定量的にどの程度か？

主な発見

• ナノピラー配列は、無構造なダイヤモンド表面と比較して、収率された光励起放射強度が11.5倍向上した。最適性能は直径700–900 nmの範囲で得られた。
• ピラー直径が小さくなるほど、負に帯電したNV中心（NV⁻）の割合が増加し、光学的およびスピン的性質の向上が示された。
• ナノピラーに担持されたNV集合体は、無構造表面と比較して、T₁緩和時間が60%延長され、HahnエコーのT₂およびT₂*緩和時間はそれぞれ20%増加した。
• ワイドフィールドODMRスペクトルイメージングにおける測定感度は、σ_axialで2.8倍、σ_xyで3.3倍、σ_yzで3.7倍、σ_xzで3.2倍向上した。これは、光子収率向上による予測される3.7倍以上の向上と整合的であった。
• 全軸応力（σ_axial）はピラー直径が小さくなるにつれて増加したが、せん断応力成分は直径依存性がなく、テンソル成分間で符号および大きさが変化した。
• ナノピラー内の応力レベルは、パターン加工なしのダイヤモンドと同等であり、最小限のプロセス由来ひずみであることを示し、配列内での測定ノイズは低く抑えられ、信号対ノイズ性能の向上が確認された。