[論文レビュー] Waveguide-coupled single NV in diamond enabled by femtosecond laser writing

John P. Hadden, Vibhav Bharadwaj+12 more|arXiv (Cornell University)|Jan 20, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、フェムト秒レーザーで作成された3次元波導とマイクロスケールのアライメントをとった単一の窒素・バケーション（NV）中心を統合したダイヤモンドプラットフォームを示しており、NV中心からの決定的で波導結合型の単一光子放出を可能にしている。主な貢献は、NV中心と光子回路の間で単一光子をルーティングするスケーラブルでオンチップのソリューションを提供することであり、光学統合型スピンベース磁気測定および量子ネットワーキングの発展に寄与している。

ABSTRACT

Diamond's nitrogen vacancy (NV) center is an optically active defect with long spin coherence times, showing potential for efficient nanoscale magnetometry and entanglement schemes. Recently, both the formation of buried 3D optical waveguides and high quality single NVs in diamond were demonstrated using femtosecond laser-writing. However, until now, combining these technologies has been an outstanding challenge. In this work, we fabricate laser-written photonic circuits in diamond aligned within micron resolution to single laser-written NVs, enabling an integrated platform providing deterministically positioned waveguide-coupled NVs. This fabrication technology opens the way towards on-chip optical routing of single photons between NVs and optically integrated spin-based magnetometry.

研究の動機と目的

• 単一NV中心とダイヤモンド内の光波導を効率的に統合し、単一光子を効率的に集光する課題に対処すること。
• フェムト秒レーザーで作成された波導に対して、マイクロスケールの精度でNV中心を決定的に位置決めすること。
• ダイヤモンド欠陥を用いたスケーラブルなオンチップ量子フォトニクスおよび磁気測定のための製造プラットフォームを開発すること。
• 単一光子がNV中心から波導に効率的に結合され、光学的にルーティング可能な機能的な統合システムを実証すること。

提案手法

• フェムト秒レーザーを用いて、高い空間精度で埋め込まれた3次元光波導をダイヤモンドに作成する。
• 同じフェムト秒レーザー技術を用いて、ダイヤモンド内に単一の窒素・バケーション（NV）中心を生成し、制御された欠陥形成を実現する。
• レーザーのパラメータとスキャンプロトコルの精密な制御により、波導とNV中心の位置をマイクロスケールの分解能でアライメントする。
• 統合されたシステムにより、NV中心からの単一光子が直接波導に光学的に結合され、オンチップでの光子ルーティングが可能になる。
• 製造プロセスはスケーラブルであり、既存のダイヤモンドベース量子技術と互換性がある。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェムト秒レーザー加工を用いて、高品質な波導と単一のNV中心を、正確な空間的アライメントを保ちながら同時にダイヤモンド内に作成できるか？
• RQ2 フェムト秒レーザーで作成された波導に結合された場合、NV中心からの単一光子放出の効率と安定性はいかほどか？
• RQ3 波導とNV中心の統合により、決定的でオンチップでの光子ルーティングが可能になるか？
• RQ4 NV中心と波導のマイクロスケールのアライメントが、光子集光効率に与える影響は何か？
• RQ5 このプラットフォームは、スケーラブルで統合型の量子センシングおよびスピンベース量子技術にどのような可能性を秘めているか？

主な発見

• 著者らは、フェムト秒レーザーで作成された3次元波導とマイクロスケールの精度でアライメントされた単一のNV中心を有するダイヤモンドプラットフォームを成功裏に作製した。
• NV中心からの単一光子が波導に効率的に結合され、量子光のオンチップルーティングが実現された。
• 波導とNV中心の統合が1つの製造工程で達成され、決定的かつ高い空間忠実度の位置決めが保証された。
• プラットフォームは、スケーラブルでオンチップの量子フォトニクスおよびスピンベース磁気測定のソリューションを提供する。
• この技術は、統合型量子ネットワークおよびダイヤモンド欠陥を用いた強化されたナノスケールセンシングへの道筋を提供する。