[論文レビュー] Transform-limited photons from a tin-vacancy spin in diamond

Matthew E. Trusheim, Benjamin Pingault+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、ダイヤモンド中のスズバケージー（SnV）中心が変換制限された光学遷移と長い電子スピン寿命を示すことを示しており、これが量子ネットワークに最適であることを明らかにした。4 Kでの磁気光学分光法を用いて、著者らは放射率制限された線幅と、他の逆対称性を持つ色中心よりも優れたスピンコherencesを確認した。これにより、SnVは量子光学の強固なプラットフォームであることが立証された。

ABSTRACT

Solid-state quantum emitters that couple coherent optical transitions to long-lived spin states are essential for quantum networks. Here we report on the spin and optical properties of single tin-vacancy (SnV) centers in diamond nanostructures. Through magneto-optical spectroscopy at 4 K, we verify the inversion-symmetric electronic structure of the SnV, identify spin-conserving and spin-flipping transitions, characterize transition linewidths, and measure electron spin lifetimes. We find that the optical transitions are consistent with the radiative lifetime limit and that the spin lifetimes are longer than for other inversion-symmetric color centers under similar conditions. These properties indicate that the SnV is a promising candidate for quantum optics and quantum networking applications.

研究の動機と目的

• ダイヤモンドナノ構造中の単一スズバケージー（SnV）中心のスピンおよび光学的性質を調査すること。
• SnV中心が長寿命スピン状態と結合されたコherentな光学遷移をサポートできるかどうかを特定すること。
• 冷却条件下におけるSnV中心の放射およびスピン緩和ダイナミクスを評価すること。
• 量子技術応用における他の逆対称性を持つ色中心と比較して、SnV中心の性能を評価すること。

提案手法

• 4 Kで単一SnV中心に対する磁気光学分光法を実施し、電子状態およびスピン遷移を調査する。
• 遷移線幅を分析してコherencesを評価し、放射率制限に近いかどうかを特定する。
• 磁場の調整を用いてスピン保存およびスピン反転遷移を同定する。
• 時間分解光学技術を用いて電子スピン寿命を測定し、コherences時間の評価を行う。
• 対称性に基づく分光的分析を通じて、SnV中心の逆対称性を持つ電子構造を確認する。
• 観測された光学的およびスピン的性質を、放射およびスピン緩和の理論的限界と照らし合わせて比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SnV中心は、放射性衰え率によって制限される唯一の光学遷移を示すのか？
• RQ2 冷却条件下におけるSnV中心のスピンコherencesの程度は何か？ 他の色中心と比較してどうなるか？
• RQ3 磁気光学分光法を用いて、SnV中心のスピン保存およびスピン反転遷移を明確に同定・特徴づけることができるか？
• RQ4 理論で予測されたように、SnV中心の電子構造は逆対称性を満たしていると確認できるか？
• RQ5 SnV中心の光学的およびスピン寿命は、他の逆対称性を持つ色中心と比較してどうなるか？

主な発見

• SnV中心の光学遷移は、放射寿命の限界と整合しており、変換制限された放射を示していることが判明した。
• SnV中心の電子スピン寿命は、同様の条件下での他の逆対称性を持つ色中心を上回っている。
• 磁気光学分光法により、スピン保存およびスピン反転遷移が明確に同定された。
• 分光的測定に基づき、SnV中心の電子構造が逆対称性を満たしていることが確認された。
• 観測された線幅およびスピンコherences時間は、SnV中心が量子ネットワーキング応用に適している可能性を支持する。
• 狭い光学線幅と長いスピンコherences時間を併せ持つことから、SnV中心は固体状態量子発光体としての有力候補であると位置づけられる。