[論文レビュー] Integration of silicon-vacancy centers in nanodiamonds with an optical nanofiber

Ramachandrarao Yalla, Y. Kojima+6 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 27被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、原子力顕微鏡（AFM）のチップを用いて、ナノダイヤモンド内のケイ素バケーション中心（SiV-NDs）を自由支持型光学ナノファイバー（ONF）に初めて実験的に統合することに成功した。マイクロ波プラズマ支援化学気相成長（MPCVD）を用いて石英基板上にSiV-NDsを成長させ、その後ONFに移動させることで、ガイドモードへの結合効率が4.1±0.8%に達し、室温下での量子フォトニクス用途に向けた効率的な単一光子放出を実現した。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate the integration of silicon-vacancy centers in nanodiamonds (SiV-NDs) with an optical nanofiber (ONF). We grow SiV-NDs on seed NDs dispersed on a quartz substrate using a microwave plasma-assisted chemical vapor deposition method. First, we search and characterize SiV-NDs on a quartz substrate using an inverted confocal microscope and an atomic force microscope (AFM). Subsequently, we pick up SiV-NDs from the quartz substrate and deposit them on the surface of a free-standing ONF using the AFM tip. The fluorescence emission spectrum, photon count rate, and intensity correlations for SiV-NDs are systematically measured.

研究の動機と目的

• 高品質な単一光子発光体をナノフォトニクス波ガイドにスケーラブルに統合する方法の開発。
• CVD成長によるSiV-NDsを自由支持型光学ナノファイバー（ONF）に移動・統合することの実証。
• ONFガイドモードに結合されたSiV-NDsからの効率的かつオンデマンドの単一光子放出の実現。
• 量子情報応用を想定し、ONF上に統合されたSiV-NDsの蛍光特性、光子カウントレート、強度相関を同定すること。

提案手法

• 自然に存在するケイ素（Si）を石英基板からドーパント源として用い、マイクロ波プラズマ支援化学気相成長（MPCVD）を用いて石英基板上にSiV-NDsを成長させる。
• 蛍光特性の評価およびSiV-NDsの正確な位置決めのため、逆置き型共焦点顕微鏡（ICM）と原子力顕微鏡（AFM）を併用する。
• 接触モードでAFMチップを用いて個々のSiV-NDsを石英基板から摘み取り、自由支持型ONFの表面にデポジションする。
• 単一光子行動の確認のため、蛍光発光スペクトル、光子カウントレート、2次関数強度相関（g²(0)）を測定する。
• ゼロフォノンライン（ZPL）発光を分離しバックグラウンドを低減するために、共焦点ピンホールと干渉フィルターを用いる。
• 検出効率（κONF = 25±3%, κOL = 2.2±0.4%）を補正した上で、ONFガイドモードへの結合効率を定量的に推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 CVD成長によるSiV-NDsをAFMを用いて自由支持型光学ナノファイバーに効果的に移動・安定統合できるか？
• RQ2 SiV-NDs発光のONFガイドモードへの結合効率はどの程度で、自由空間収束と比較してどうなるか？
• RQ3 ONFに結合されたSiV-NDsは、単一光子発光特性を示すか？
• RQ4 SiV-NDsのデポジション後、ONFの光透過特性はどのように変化するか。信号劣化の原因は何か？

主な発見

• 著者らは、共焦点蛍光イメージングによる統合確認を伴い、AFMチップを用いて個々のCVD成長SiV-NDsを石英基板から自由支持型ONFに効果的に移動させた。
• 統合されたSiV-NDsの蛍光発光スペクトルには、740 nmに位置する明確なゼロフォノンライン（ZPL）が観測され、狭い線幅から高いスペクトル純度が確認された。
• ONFガイドモードへのSiV-NDs発光の結合効率は4.1±0.8%であり、これはONF表面から110±20 nmの位置に配置されたドーナツ状電気双極子に相当する。
• ONFガイドモードでの光子カウントレートは1.176±0.120 kcpsであった。バックグラウンド補正後のg²(0)値は1.08±0.08であり、単一光子発光が確認された。
• SiV-NDsのデポジション後、ONFの光透過率は82%に低下した。これは散乱によるものであり、統合と伝搬損失のトレードオフを示している。
• 結合効率が低いことから、ガイドモード検出のSN比は自由空間収束に比べて低く、これはより小さなSiV-NDsを用いるか、ONF上にキャビティ構造を統合することで改善可能である。