[論文レビュー] Sub-megahertz homogeneous linewidth for Er in Si via in situ single photon detection

Ian R. Berkman, Alexey Lyasota+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Silicon Nanostructures and Photoluminescence参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ナノフォトニクスを経由せずに、イン・スイット・単一光子検出を用いて、シリコン中のルーテニウムイオンで0.75 MHzまで低下するサブメガヘルツスケールの均一化されたライン幅を達成した。共鳴光励起を伴う光励起発光（PLE）と超伝導単一光子検出器を組み合わせることで、70個の以前未観測のEr:Si共鳴状態を解明し、光学的寿命は最大1.5 ms、非均一化幅は400 MHz未満にまで低下した。これにより、Er:Siは量子メモリおよび通信用途の有力候補として確立された。

ABSTRACT

We studied the optical properties of a resonantly excited trivalent Er ensemble in Si accessed via in situ single photon detection. A novel approach which avoids nanofabrication on the sample is introduced, resulting in a highly efficient detection of 70 excitation frequencies, of which 63 resonances have not been observed in literature. The center frequencies and optical lifetimes of all resonances have been extracted, showing that 5% of the resonances are within 1 GHz of our electrically detected resonances and that the optical lifetimes range from 0.5 ms up to 1.5 ms. We observed inhomogeneous broadening of less than 400 MHz and an upper bound on the homogeneous linewidth of 1.4 MHz and 0.75 MHz for two separate resonances, which is a reduction of more than an order of magnitude observed to date. These narrow optical transition properties show that Er in Si is an excellent candidate for future quantum information and communication applications.

研究の動機と目的

• 高エネルギー分解能を用いて、三価ルーテニウムイオンがドーピングされたシリコンの光学的性質を特徴づけること。
• 従来のEPR、PL、PLE技術が個々のEr:Siサイトを解像できないという限界を克服すること。
• 量子メモリおよび通信用途に不可欠なサブメガヘルツスケールの均一ライン幅を達成すること。
• ナノフォトニクスを必要としない、スケーラブルでイン・スイットの方法により、希土類元素イオン遷移を直接プローブすること。
• Er:Siにおける広範囲の共鳴状態において、光学的寿命および非均一化幅を測定すること。

提案手法

• 超伝導単一光子検出器（SSPD）を用いた高感度なイン・スイット共鳴光励起発光（PLE）分光法を採用した。
• 熱的幅を最小限に抑えるために300 mKの低温装置を用い、信号対雑音比（SNR）を向上させた。
• 特定の共鳴状態に対して一時的スペクトルホール焼却を実施し、均一ライン幅を抽出した。
• 正確なレーザー周波数制御および励起を実現するために、音響光変調器（AOM）および電気光学変調器（EOM）を適用した。
• ナノフォトニクスを回避し、直接イン・スイットで試料をプローブすることで、複数の共鳴状態を迅速に特徴づけることが可能になった。
• 光子カウント率および減衰ダイナミクスから励起振幅、ライン幅、寿命を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 シリコン中の個々のEr:Si共鳴状態の均一ライン幅は何か？1 MHz未満にまで低下可能か？
• RQ2 イン・スイット単一光子検出を用いることで、何個の以前未観測のEr:Si共鳴状態を解明できるか？
• RQ3 Er:Si遷移の光学的寿命は何か？また、共鳴周波数と相関関係はあるか？
• RQ4 非均一化幅が、Er:Si光学遷移のコherencyに及ぼす制限はどの程度か？
• RQ5 非侵襲的でイン・スイットの検出法は、試料特有のナノフォトニクスを要せず、サブ-MHzライン幅を達成可能か？

主な発見

• 1538.685 nmの共鳴状態では0.75 MHz、1532.254 nmでは1.4 MHzの均一ライン幅が測定され、従来の結果と比較して10倍以上も低減された。
• Er:Siアンサンブルの非均一化幅は400 MHz未満であることが判明し、高いスペクトル純度を示した。
• 光学的寿命は0.5 msから1.5 msの範囲にあり、複数の共鳴状態で1 msを超える寿命が観測された。
• 合計70個の明確な共鳴状態が同定され、そのうち63個はEPR、PL、PLE研究で以前に観測されていなかった。
• 信号対雑音比（SNR）が十分に高く、1530–1540 nmのスペクトル範囲においても、狭い特徴を高精度で解像できた。
• ナノフォトニクスを要せず、試料特有の加工を伴わない非破壊的迅速特徴づけが可能であり、スケーラビリティを示した。