[논문 리뷰] A Bright Single Photon Source Based on a Diamond Nanowire

Thomas M. Babinec, Birgit Hausmann외 5명|arXiv (Cornell University)|2009. 08. 03.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 나노와이어에 내장된 질소빈자리(NV) 중심을 이용해 실온에서 밝고 안정적인 단일 광자 소스를 제시한다. 이는 밀도가 높은 다이아몬드에 비해 광자 수집 효율을 한 단계 향상시켜, 저전력 작동으로 고성능 양자 통신 및 센싱 응용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The development of a robust light source that emits one photon at a time is an outstanding challenge in quantum science and technology. Here, at the transition from many to single photon optical communication systems, fully quantum mechanical effects may be utilized to achieve new capabilities, most notably perfectly secure communication via quantum cryptography. Practical implementations place stringent requirements on the device properties, including stable photon generation, room temperature operation, and efficient extraction of many photons. Single photon light emitting devices based on fluorescent dye molecules, quantum dots, and carbon nanotube material systems have all been explored, but none have simultaneously demonstrated all criteria. Here, we describe the design, fabrication, and characterization of a bright source of single photons consisting of an individual Nitrogen-vacancy color center (NV center) in a diamond nanowire operating in ambient conditions. The nanowire plays a positive role in increasing the number of single photons collected from the NV center by an order of magnitude over devices based on bulk diamond crystals, and allows operation at an order of magnitude lower power levels. This result enables a new class of nanostructured diamond devices for room temperature photonic and quantum information processing applications, and will also impact fields as diverse as biological and chemical sensing, opto-mechanics, and scanning-probe microscopy.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 양자 기술에 적합한 견고하고 실온에서 작동하는 단일 광자 소스를 개발하기 위해.
• 기존 단일 광자 발광체에서의 광자 수집 효율 및 전력 소모의 한계를 극복하기 위해.
• 나노스케일 다이아몬드 구조를 활용해 NV 중심으로부터의 빛 추출을 향상시키기 위해.
• 양자 정보 처리 및 센싱 응용 분야에서 확장 가능하고 고성능의 장치를 실현하기 위해.

제안 방법

• 광자의 광학적 추출을 향상시키기 위해 단일 질소빈자리(NV) 중심을 다이아몬드 나노와이어에 통합하기 위해.
• 통제된 기하구조를 가진 구조화된 다이아몬드 플랫폼을 만드는 데 나노재료 기반 공정 기술을 사용하기 위해.
• 광자 수집의 입체각을 최대화하기 위해 나노와이어의 치수를 최적화하기 위해.
• 냉각 장치 없이 실온 조건에서 장치를 작동시키기 위해.
• 광자 상관 측정을 통해 단일 광자 방출을 특성화하기 위해.
• 나노와이어 및 밀도가 높은 다이아몬드 장치 간의 광자 수집 효율을 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 나노와이어 구조는 NV 중심으로부터의 단일 광자 수집 효율을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이러한 장치는 저전력 소비로 실온에서 효율적으로 작동할 수 있는가?
• RQ3 나노와이어 기하구조는 양자 응용 분야에서 실용적이고 확장 가능한 단일 광자 소스를 가능하게 하는가?
• RQ4 나노와이어에서의 광자 수집 속도는 밀도가 높은 다이아몬드에 비해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 다이아몬드 나노와이어 장치는 밀도가 높은 다이아몬드 결정에 비해 단일 광자 수집을 한 단계 향상시켰다.
• 이 소스는 실온에서 안정적으로 작동하여 냉각 장치가 필요 없음을 입증했다.
• 기존 시스템에 비해 약 한 단계 낮은 전력 수준에서 광자 생성 효율을 달성했다.
• 실온 조건에서 나노와이어 내의 NV 중심이 높은 정밀도로 단일 광자 방출을 유지했다.
• 이 장치는 광학 및 양자 정보 처리를 위한 새로운 종류의 나노구조 다이아몬드 장치를 가능하게 했다.
• 향상된 성능은 양자 암호, 생물 센싱, 스캐닝 프로브 현미경 등 응용 분야를 지원한다.