[論文レビュー] Imaging and quantum efficiency measurement of chromium emitters in diamond

Igor Aharonovich, Stefania Castelletto+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2010

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、発光双極子の配向を像として撮影し、深さに応じた寿命測定を用いて、ダイヤモンド中の単一クロム色中心の量子効率（QE）を初めて直接測定した。Crイオンを制御された深さにイオンドーピングし、空気中とバルクダイヤモンドにおける衰え率を分析することで、平均QEは28% ± 4%であると特定した。双極子はダイヤモンド表面に対してほぼ垂直に配向しており、光子回路構造との効率的な統合が可能である。

ABSTRACT

We present direct imaging of the emission pattern of individual chromium-based single photon emitters in diamond and measure their quantum efficiency. By imaging the excited state transition dipole intensity distribution in the back focal plane of high numerical aperture objective, we determined that the emission dipole is oriented nearly orthogonal to the diamond-air interface. Employing ion implantation techniques, the emitters were engineered with various proximities from the diamond-air interface. By comparing the decay rates from the single chromium emitters at different depths in the diamond crystal, an average quantum efficiency of 28% was measured.

研究の動機と目的

• 量子フォトニクス応用にとって重要なパラメータである、単一クロム色中心の量子効率（QE）を直接測定すること。
• ダイヤモンド表面からの発光双極子の配向を特定し、光子収率および光子デバイスとの統合に与える影響を評価すること。
• イオンドーピングを用いて、ダイヤモンド-空気界面からの距離を制御した深さに発光体をエンジニアリングし、放射環境を調整すること。
• バルクダイヤモンドと表面近くでの比較的寿命測定を用いて、双極子配向およびQEを検証すること。
• 有望な単一光子源プラットフォームとしてのQEベンチマークを提供し、ダイヤモンドベースの量子デバイスの最適化を可能にすること。

提案手法

• 高NAのオプティカル・オブジェクティブのバックフォーカルプレーンで、単一Cr発光体の発光パターンを像として撮影し、強度分布解析によって双極子配向を特定した。
• 50 keV（浅い、約25 nm深さ）および6 MeV（深い、約1.5 µm深さ）のイオンドーピングを用い、ダイヤモンド-空気界面からの距離を制御した発光体を生成した。
• 表面近くの個々の発光体（1.24 ± 0.13 ns）および結晶内部の発光体（0.92 ± 0.09 ns）の励起状態寿命を測定し、放射率増幅係数βを抽出した。
• 式 QE = k_rad / (k_rad + k_nr) を適用した。ここで、k_rad は均質媒質内での放射性崩壊率、k_nr は非放射性率であり、βおよび寿命データから推定した。
• SRIMシミュレーションを用いてイオンドーピングプロファイルをモデル化し、正確な深さ制御のための重なりのない終端範囲分布を保証した。
• 双極子像と寿命測定を組み合わせ、放射性および非放射性崩壊経路を分離し、事前の仮定に依存しない形でQEを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のクロム色中心の固有の量子効率は何か？ また、発光体の深さに応じてどのように変化するか？
• RQ2 単一Cr中心の発光双極子は、ダイヤモンド表面に対してどのように配向しているか？ また、その配向は光子収率に影響を与えるか？
• RQ3 間接的または理論的推定に依存せずに、単一発光体の量子効率を直接測定できるか？
• RQ4 ダイヤモンド-空気界面付近の誘電環境は、Cr中心の放射性崩壊率にどのように影響するか？
• RQ5 イオンドーピングを用いて、発光体の表面からの距離を制御し、QEの正確な測定を可能にすることができるか？

主な発見

• バックフォーカルプレーン像による確認により、ダイヤモンド中のクロム中心の発光双極子は、ダイヤモンド-空気界面に対してほぼ垂直に配向していることが判明した。
• バルクダイヤモンド中のクロム発光体の平均量子効率は28% ± 4%であり、ピーク発光波長に関係なく、アンサンブル全体で測定された。
• 個々の発光体では、750 nmと753 nmの2つの異なる中心について、それぞれQEが0.42 ± 0.06および0.29 ± 0.05であった。
• 表面近くの発光体の励起状態寿命が短縮されていること（1.24 ± 0.13 ns）が、結晶内部（0.92 ± 0.09 ns）と比較されており、誘電環境が放射性崩壊に与える影響を裏付けている。
• ほぼ垂直な双極子配向は、光子キャビティおよびナノアンテナとの統合に有利であり、NV中心で見られるランダムな配向問題を克服できる。
• 非放射性崩壊率（769 MHz）は、系間クロスオーバー率（5.1 MHz）よりも高いことから、フォノン結合やイオン化などの非放射性過程がQE損失に顕著に寄与していることが示唆された。