[論文レビュー] Optical superradiance of a pair of color centers in an integrated silicon-carbide-on-insulator microresonator

Daniil M. Lukin, Melissa A. Guidry+7 more|arXiv (Cornell University)|Feb 10, 2022

Quantum and electron transport phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、CMOS準拠の4H-炭化ケイ素オブイラン（SiCOI）プラットフォーム上に、マイクロディスクレゾネータに結合されたケイ素バケーション（V_Si）色中心から光学的スーパー放射を実証した。反転対称性を必要としないスケーラブルなナノフォトニクスに光学的位相共鳴性を持つ欠陥を統合することで、単一発光子の協同性は最大0.8に達し、2光子のスーパー放射放出を観測した。これにより、スケーラブルな量子フォトニクスのための決定的光子-発光体相互作用が可能となった。

ABSTRACT

An outstanding challenge for color center-based quantum information processing technologies is the integration of optically-coherent emitters into scalable thin-film photonics. Here, we report on the integration of near-transform-limited silicon vacancy (V$_{ ext{Si}}$) defects into microdisk resonators fabricated in a CMOS-compatible 4H-Silicon Carbide-on-Insulator platform. We demonstrate a single-emitter cooperativity of up to 0.8 as well as optical superradiance from a pair of color centers coupled to the same cavity mode. We investigate the effect of multimode interference on the photon scattering dynamics from this multi-emitter cavity quantum electrodynamics system. These results are crucial for the development of quantum networks in silicon carbide and bridge the classical-quantum photonics gap by uniting optically-coherent spin defects with wafer-scalable, state-of-the-art photonics.

研究の動機と目的

• ウェーハスケーラブルでCMOS準拠のフォトニクスプラットフォームへの光学的位相共鳴性を持つ非反転対称性色中心の統合を目的とする。
• ナノフォトニクス構造体における光学的位相共鳴性に反転対称性が必要であるという長年の仮定を覆すことを目的とする。
• SiCベースのマイクロディスクレゾネータにおいて、スーパー放射やダイポール誘起透過などのキャビティ量子電磁力学効果を実証することを目的とする。
• 固体状態スピン欠陥と高品質フォトニック回路を組み合わせることで、スケーラブルでチップ内統合可能な量子ネットワークを実現することを目的とする。
• V_Si欠陥が大きなダイポールモーメントと反転対称性の欠如を示しても、薄膜SiCフォトニクスと互換性を保つことが妥当であることを検証することを目的とする。

提案手法

• CMOS準拠プロセスを用いて、4H-SiCオンインシュレータ（SiCOI）プラットフォーム上にマイクロディスクレゾネータをプロセスした。
• 電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、Q ≈ 1.3×10⁵の高Qウェイディングギャラリー・モード（WGM）レゾネータを定義した。
• イオンドーピングとアニール処理により、レゾネータ内にケイ素バケーション（V_Si）色中心を統合し、スペクトル安定性を達成した。
• スキャン光励起分光法（PLE）を用いて発光体-キャビティ結合をマッピングし、キャビティパラメータを抽出した。
• 時間分解光励起分光法と干渉計的測定を用いて、スーパー放射放出および2発光体間の位相共鳴性を調査した。
• キャビティのデチューニング、相対的発光体位相（φ）、スピン1/2状態の占有数を組み込んだ数値モデルを用い、実験データにフィットさせ、位相共鳴性を推定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反転対称性を欠く光学的位相共鳴性を持つ色中心は、薄膜でCMOS準拠のフォトニクス回路に効果的に統合可能か？
• RQ2 SiCマイクロディスクレゾネータにおける最大の単一発光体協同性はどの程度か？また、これは量子電磁力学効果を引き起こすか？
• RQ3 1つのキャビティ内に存在する2つの色中心がスーパー放射放出を示すことができるか？そのための条件は何か？
• RQ4 マルチモード干渉は、マルチ発光体キャビティ量子電磁力学系における光子散乱ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ5 V_Si欠陥は大きなダイポールモーメントと反転対称性の欠如を示しても、スペクトル安定性と光学的位相共鳴性を維持できるか？

主な発見

• 著者らは、SiCマイクロディスクレゾネータで最大0.8の単一発光体協同性を達成し、ダイポール誘起透過の観測に成功した。
• メタ安定状態におけるスピンシェルビングの制限により、1つのV_Si欠陥からゼロフォノンラインへの光子検出率は最大0.4 MHzに達した。
• 2つのV_Si色中心からのスーパー放射放出が実験的に確認され、集団放射に一致する1.5 nsの特徴的な減衰時間を持つことが確認された。
• 2発光体間の相対位相差はφ ≈ 0.34π mod πおよびφ ≈ 0.28π mod πと推定され、キャビティモードへの位相共鳴性結合が示された。
• 1日あたり約1 GHzのスペクトルドリフトが観測され、これはレゾネータに非対称に堆積した氷に起因する応力によるものであり、これに伴い位相差のドリフトも発生した。
• これらの結果は、ナノフォトニクス構造体における光学的位相共鳴性に反転対称性が必要であるという長年の信念を覆し、SiCに多様な色中心を統合する道を開いた。