[論文レビュー] Imaging a Nitrogen-Vacancy Center with a Diamond Immersion Metalens

Richard R. Grote, Tzu‐Yung Huang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 58被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、単結晶ダイヤモンド基板にエッチングされたサブ波長TiO2ピラーから構成されるダイヤモンドインマージョンメタレンズを実証した。このメタレンズは、従来のオプティカルレンズを必要とせず、1.0を超える高い数値孔径（NA > 1.0）を実現し、窒素空位（NV）中心の高解像度イメージングを可能にする。メタレンズは平面的で高透過率のインマージョンレンズとして機能し、測定された飽和カウントレートは121.7 ± 2.2光子/msに達し、NA ≈ 1.4であることを示しており、量子技術分野におけるNV中心の効率的かつスケーラブルなファイバー結合型集光を可能にする。

ABSTRACT

Solid-state quantum emitters have emerged as robust single-photon sources and addressable spins: key components in rapidly developing quantum technologies for broadband magnetometry, biological sensing, and quantum information science. Performance in these applications, be it magnetometer sensitivity or quantum key generation rate, is limited by the number of photons detected. However, efficient collection of a quantum emitter's photoluminescence (PL) is challenging as its atomic scale necessitates diffraction-limited imaging with nanometer-precision alignment, oftentimes at cryogenic temperatures. In this letter, we image an individual quantum emitter, an isolated nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, using a dielectric metalens composed of subwavelength pillars etched into the diamond's surface. The metalens eliminates the need for an objective by operating as a high-transmission-efficiency immersion lens with a numerical aperture (NA) greater than 1.0. This design provides a scalable approach for fiber coupling solid-state quantum emitters that will enable the development of deployable quantum devices.

研究の動機と目的

• 低温下におけるダイヤモンド内に存在する単一NV中心からの光励起放射を収集する際の従来のオプティカルレンズの限界を克服すること。
• 高NAのオプティカルレンズに代わる平面的で平板な光学素子を用いることで、量子発光体のイメージングに必要な大型で真空対応の光学系を排除すること。
• ダイヤモンド基板上に直接高透過率・高NAの誘電体メタレンズを形成することにより、固体状態量子発光体のスケーラブルかつファイバー結合型統合を実現すること。
• 高屈折率のダイヤモンド媒体内における全反射および球面収差を、サブ波長構造のメタサーフェスレンズを用いて是正すること。

提案手法

• サブ波長TiO2ピラーを単結晶ダイヤモンド基板にエッチングして、所定の位相プロファイルを持つ平面的インマージョンレンズを形成する誘電体メタレンズの設計。
• 700 nmでの所望の位相変調を達成するためのピラー直径を決定するために、ブロッホモード有効屈折率と光路長差の計算を用いる。
• 電子線リソグラフィーと誘導結合プラズマ反応イオンエッチングを用いて、高長さ径比のサブ波長ピラーを形成する。
• メタレンズにフォーカスされた光を測定するためのファイバー結合パスを用い、平面的ダイヤモンド表面のリファレンスと比較して、フレネル係数を用いて正規化した反射スペクトルを測定。
• 非線形飽和モデルにフィットさせることで、さまざまな励起パワー下での光子収集効率を定量的に評価。
• 信号対背景比（ρ = 0.26 ± 0.01）を用いたバックグラウンド補正と、三準位系モデルへのフィッティングにより、2次相関関数を補正。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド基板に直接エッチングされた誘電体メタレンズが、NV中心からの光励起放射を効率的に収集するためのNA > 1.0を達成できるか？
• RQ2 平面的インマージョンメタレンズは、従来の高NAオプティカルレンズと比較して、単一NV中心の光子収集効率において優れているか？
• RQ3 メタレンズは、高屈折率のダイヤモンド媒体内における全反射および球面収差をどの程度低減できるか？
• RQ4 メタレンズの測定された飽和カウントレートは何か？ また、従来の共焦点法と比較してどう異なるか？
• RQ5 メタレンズは、実用的な量子デバイスにおける固体状態量子発光体のファイバー結合型でスケーラブルな統合を可能にするか？

主な発見

• メタレンズの飽和カウントレートは121.7 ± 2.2光子/msに達し、共焦点パスの33.5 ± 0.6光子/msと比較して顕著に高く、優れた光子収集効率を示している。
• 飽和レート比に基づく推定により、メタレンズの測定された数値孔径はNA ≈ 1.4であり、NA > 1.0を確認した。これにより、ダイヤモンド内での波長未満の焦点化が可能となった。
• メタレンズの反射スペクトルは、垂直入射時において17%のベースライン反射率を示しており、フレネル係数と整合的である。リップル成分はビームスプリッターのゴースト効果に起因するとされる。
• バックグラウンド補正済みの2次相関関数g^(2)(τ)は、g^(2)(0) ≈ 0.05を示しており、強力なアンチバウンディングを確認し、高精度な単一光子源としての挙動を示している。
• メタレンズ設計により、大型なオブジェクティブラレンズやクライオスタット窓の必要性が排除され、量子発光体向けのスケーラブルかつファイバー結合型プラットフォームが実現された。
• 焦点距離はピエゾステージの変位測定により決定され、ダイヤモンドとオイルの屈折率比（n_D / n_oil）を用いて補正され、像の歪みを補正した。