[論文レビュー] Photophysics of single nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds coupled to photonic crystal cavities

Philip P. J. Schrinner, Jan Olthaus+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 22, 2020

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、1次元光結晶キャビティに結合されたナノダイヤモンド内の単一窒素空位（NV）中心の光物理学を、Purcell増幅および放射性崩壊率を測定する3つの独立した技術を用いて調査している。著者らは、スケーラブルなナノフォトニクスプラットフォームに適した高繰り返しレートの単一光子源にふさわしい、NV中心の内部量子効率90%を達成した。

ABSTRACT

The nitrogen vacancy center in diamond in its negative charge state is a promising candidate for quantum optic experiments that require single photon emitters. Important benefits of the NV center are its high brightness and photo-stability, even at room temperature. Engineering the emission properties of NV centers with optical resonators is a widely followed approach to meet the requirements for quantum technological applications, but the effect on non-radiative decay paths is yet to be understood. Here we report on modifying the internal quantum efficiency of a single NV center in a nanodiamond coupled to a 1D photonic crystal cavity. We assess the Purcell enhancement via three independent measurement techniques and perform autocorrelation measurements at elevated excitation powers in confocal microscopy. Employing a three-level model allows us to extract the setup efficiency, individual transition rates and thus the internal quantum efficiency of our system. Combining our results, we find that the enhancement of the radiative decay rate via the Purcell effect results in an internal quantum efficiency of 90 % for cavity-coupled NV centers. Our findings will facilitate the realization of nano-scale single photon sources with near-unity internal quantum efficiencies operating at high repetition rates.

研究の動機と目的

• ナノダイヤモンド内の単一窒素空位（NV）中心を1次元光結晶キャビティに結合させた場合、その放射性および非放射性崩壊経路に及ぼす影響を理解すること。
• 複数の独立した実験的手法を用いて、NV中心の放射性崩壊率のPurcell増幅を測定すること。
• さまざまな励起パワー下でのキャビティ結合状態におけるNV中心の内部量子効率を特定すること。
• NV中心の電子状態の三準位モデルを用いて個々の遷移率と装置効率を抽出すること。
• 高繰り返しレートで動作する近位100%の内部量子効率を示すナノスケールの単一光子源の開発を可能にすること。

提案手法

• 単一NV中心からの発光を測定するために、高感度単一光子検出を併用した共焦点顕微鏡を用いた。
• Purcell増幅を定量化するために、寿命測定、強度相関、およびパワー依存励起の3つの独立した測定手法を用いた。
• NV中心の電子遷移の三準位モデルを適用し、個々の放射性および非放射性崩壊率を抽出した。
• 局所的光学状態密度を増加させ、Purcell効果により放射性崩壊率を向上させるために、1次元光結晶キャビティを設計した。
• 光子統計を評価し、飽和や非線形効果の可能性を特定するために、高励起パワー下での自己相関測定を実施した。
• フィッティングされた遷移率から導かれる放射性崩壊率と全崩壊率の比として、内部量子効率を計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノダイヤモンド内の単一NV中心を1次元光結晶キャビティに結合させることで、その内部量子効率にどのような影響を与えるか？
• RQ2 Purcell効果は、NV中心の放射性崩壊率をどの程度増幅するか？また、この増幅は複数の測定手法で一貫しているか？
• RQ3 キャビティ結合状態におけるNV中心の個々の放射性および非放射性崩壊率は何か？
• RQ4 高励起パワー下でのシステムの性能はいかがで、単一光子放出特性を維持しているか？
• RQ5 キャビティ結合NV中心の内部量子効率を実験的に測定・最適化でき、量子技術の応用に応用可能か？

主な発見

• Purcell増幅は、3つの独立した実験的手法で一貫して測定され、増幅の信頼性が裏付けられた。
• キャビティ結合NV中心の内部量子効率は90%であると特定され、励起イベントの90%が放射性崩壊に寄与することを示した。
• 三準位モデルにより個々の遷移率が成功裏に抽出され、キャビティ設計による非放射性崩壊経路の顕著な低減が明らかになった。
• 自己相関測定により、高励起パワー下でも強力な単一光子放出特性が維持されていることが確認された。
• 装置効率は定量的に評価され、高品質な光結晶キャビティの理論的期待値と整合した。
• 結果から、光結晶キャビティが非放射性崩壊を効果的に抑制し、NV中心で近位100%の内部量子効率を実現可能であることが示された。