[論文レビュー] Polarization properties of single photons emitted by nitrogen-vacancy defect in diamond at low temperature

Florian Kaiser, V. Jacques+4 more|ArXiv.org|Jun 18, 2009

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用数 11

ひとこと要約

本研究は、低温下におけるダイヤモンド中の窒素空位（NV）中心から発する単一光子の偏光特性を、共鳴励起を用いて調査した。光励起が部分的に偏光していないのは、2つの直交する励起状態軌道状態間で速やかに生じる熱浴に起因する緩和によるものであり、偏光フィルタを適用しない限り、その不揃い性が制限されることを示した。

ABSTRACT

In this report, the polarization properties of the photoluminescence emitted by single nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond are investigated using resonant excitation at cryogenic temperature. We first underline that the two excited-state orbital branches are associated with two orthogonal transition dipoles. Using selective excitation of one dipole, we then show that the photoluminescence is partially unpolarized owing to fast relaxation between the two orbitals induced by the thermal bath. This result might be important in the context of the realization of indistinguishable single photons using NV defect in diamond.

研究の動機と目的

• 低温下におけるダイヤモンド中の窒素空位（NV）中心から発する単一光子の偏光特性を調査すること。
• 特定の遷移ドロップレットを介して励起された場合、NV中心からの光励起が偏光しているかどうかを特定すること。
• 励起状態軌道状態間の熱浴に起因する緩和が、光子の偏光を低下させる役割を理解すること。
• 量子情報応用における不揃いな単一光子の生成に与える影響を評価すること。
• 励起状態における緩和ダイナミクスに依存する偏光度に関する実験的証拠を提供すること。

提案手法

• 共焦点顕微鏡装置を用いて、低温下でのタイプIIaダイヤモンド中の個々のNV中心を共鳴励起すること。
• 偏光調整可能なレーザー励起を用いて、励起状態軌道二重項の2つの直交する遷移ドロップレット（E_x または E_y）のうち一方を選択的に励起すること。
• 発光の偏光状態を角度関数として分析するために、偏光子とラムダ/4波プレートを用いること。
• レート方程式を用いた励起状態の集団ダイナミクスのモデル化：p_x(t) = ½(1 + e^(-2γt)) および p_y(t) = ½(1 - e^(-2γt))、ここで γ は熱的緩和率である。
• 偏光コントラスト C = (1 - α²)/(1 + α²) を計算し、α = tanh(γτ) と定義する。ここで τ ≈ 12 ns は放射的寿命である。
• 実験データ（光励起強度 vs. 偏光子の角度）をコサイン関数でフィッティングし、変調コントラストを抽出し、緩和時間 γ⁻¹ を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ダイヤモンド中のNV中心の2つの励起状態軌道状態は、直交する遷移ドロップレットを有するか？
• RQ2 1つの遷移ドロップレットに選択的に励起された場合、単一NV中心からの光励起はどの程度偏光しているか？
• RQ3 2つの励起状態軌道状態間の熱浴に起因する緩和が、発光光子の偏光にどのように影響するか？
• RQ4 緩和率 γ と光励起で観測された偏光度の間にはどのような関係があるか？
• RQ5 観測された部分的な非偏光状態は、放射的寿命中に熱的平衡に達するモデルによって定量的に説明可能か？

主な発見

• 偏光分解測定により、NV中心の2つの励起状態軌道状態（E_x および E_y）は、(x,y) 平面上で直交する2つの遷移ドロップレットに関連していることが確認された。
• 1つの遷移ドロップレットが選択的に励起された場合、光励起は55%の偏光コントラストを示し、部分的に偏光していることが示された。
• 測定されたコントラストは、熱的緩和時間 γ⁻¹ ≈ 20 ns に対応しており、これは放射的寿命（τ ≈ 12 ns）よりも著しく速い緩和を示している。
• γ⁻¹ ≪ τ（例：γ⁻¹ < 3 ns）の場合、系は放射前に熱的平衡に達するため、完全に非偏光な発光（C = 0）となる。
• γ⁻¹ ≫ τ の場合、発光は完全に偏光する（C = 1）が、通常の実験条件下ではそのような状態は達成されない。
• 異なるNV中心におけるコントラストの変動（0–60%）は、緩和率 γ に影響を与える局所環境の違いに起因するとされる。