[論文レビュー] Ultraviolet to Near-infrared Single Photon Emitters in hBN

Qinghai Tan, Kai-Xuan Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、共鳴励起を用いて、六方晶窒化ホウ素（hBN）における紫外から近赤外域の単一光子発光体を実証し、357 nm から 896 nm の範囲で安定的かつ高純度な発光を達成した。発光体はヘリウム液体温度から 1100 K まで動作可能であり、単一光子純度は 90% を超え、線幅は約 75 μeV まで狭く、1つのホスト材料で広帯域にわたり室温での動作が可能である。

ABSTRACT

In the field of quantum photon sources, single photon emitter from solid is of fundamental importance for quantum computing, quantum communication, and quantum metrology. However, it has been an ultimate but seemingly distant goal to find the single photon sources that stable at room or high temperature, with high-brightness and broad ranges emission wavelength that successively cover ultraviolet to infrared in one host material. Here, we report an ultraviolet to near-infrared broad-spectrum single photon emitters (SPEs) based on a wide band-gap semiconductor material hexagonal boron nitride (hBN). The bright, high purity and stable SPEs with broad-spectrum are observed by using the resonant excitation technique. The single photon sources here can be operated at liquid helium, room temperature and even up to 1100 K. Depending on the excitation laser wavelengths, the SPEs can be dramatically observed from 357 nm to 896 nm. The single photon purity is higher than to 90 percentage and the narrowest linewidth of SPE is down to $\sim$75 $\mu$eV at low temperature, which reaches the resolution limit of our spectrometer. Our work not only paves a way to engineer a monolithic semiconductor tunable SPS, but also provides fundamental experimental evidence to understand the electronic and crystallographic structure of SPE defect states in hBN.

研究の動機と目的

• 1つのホスト材料で紫外から近赤外域にわたる広帯域のスペクトルチューニングが可能な単一光子源の開発。
• 室温および最高 1100 K の高温でも安定的かつ高輝度な単一光子発光を達成すること。
• hBNにおける単一光子発光を引き起こす欠陥状態の電子的および結晶構造的特徴を解明すること。
• 量子心用に適した高単一光子純度および狭線幅を達成すること。

提案手法

• hBNにおける単一光子発光の輝度と純度を向上させるために共鳴励起を活用すること。
• 発光を紫外から近赤外域（357–896 nm）にわたってチューニングするために、励起レーザーの波長を変化させること。
• ヘリウム液体温度から 1100 K までの温度範囲で測定を行い、発光体の熱的安定性を評価すること。
• 高分解能分光法を用いて単一光子純度と線幅を測定し、量子効率およびコherー二ョーシーを評価すること。
• 異なる励起条件における発光特性を分析し、hBN内の欠陥に起因する発光中心を同定すること。
• 分光計の分解能限界に近い線幅（約 75 μeV）を観測することで、量子コherー二ョーシー特性を推定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 共鳴励起を用いることで、hBNにおける単一光子発光体を紫外から近赤外域にわたってチューニング可能か？
• RQ2 ヘリウム液体温度から 1100 K までの温度範囲で、hBNにおける単一光子発光の熱的安定性はいかほどか？
• RQ3 共鳴励起下でのhBNベース発光体が達成可能な単一光子純度と線幅はどの程度か？
• RQ4 hBN内の欠陥の電子的および結晶構造的特徴は、その単一光子発光特性とどのように関係しているか？
• RQ5 1つのホスト材料が、広帯域かつ高純度な単一光子発光を実現する量子技術に適した条件を満たすか？

主な発見

• 励起レーザーの波長を変化させることで、hBNにおける単一光子発光体は 357 nm から 896 nm の範囲で発光をチューニング可能である。
• 測定されたすべての条件下でも、発光体は 90% を超える高い単一光子純度を維持している。
• 観測された最も狭い線幅は低温で約 75 μeV であり、分光計の分解能限界に近づいている。
• ヘリウム液体温度、室温、および最高 1100 K でも安定した単一光子発光が達成された。
• 本研究の結果は、hBN内の欠陥状態と広帯域単一光子発光の間の実験的証明を提供している。
• 本システムは、1つの半導体ホスト材料内で広帯域にわたるチューナブルでモノリシックな単一光子源の可能性を示している。