[논문 리뷰] Coherence properties of electron beam activated emitters in hexagonal boron nitride under resonant excitation

Jake Horder, Simon White외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 18.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 60인용 수 47

한 줄 요약

이 연구는 5 K에서 고체질산화질소(이하 hBN) 내 전자빔으로 생성된 파란 발광체의 응집성 광학적 성질을 조사한다. 공 resonance 자극 및 이차 상관 측정을 통해 저자들은 1 μW 자극 조건에서 최대 0.90 ns의 응집성 시간을 갖는 라비 진동을 입증하였으며, 이는 hBN 결함 기반의 확장 가능한 양자 기술에 필수적인 응집 상태를 유지할 수 있음을 확인한다.

ABSTRACT

Two dimensional materials are becoming increasingly popular as a platform for studies of quantum phenomena and for the production of prototype quantum technologies. Quantum emitters in 2D materials can host two level systems that can act as qubits for quantum information processing. Here, we characterize the behavior of position-controlled quantum emitters in hexagonal boron nitride at cryogenic temperatures. Over two dozen sites, we observe an ultra-narrow distribution of the zero phonon line at ~436 nm, together with strong linearly polarized emission. We employ resonant excitation to characterize the emission lineshape and find spectral diffusion and phonon broadening contribute to linewidths in the range 1-2 GHz. Rabi oscillations are observed at a range of resonant excitation powers, and under 1 ${\mu}$W excitation a coherent superposition is maintained up to 0.90 ns. Our results are promising for future employment of quantum emitters in hBN for scalable quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 냉각 온도에서 전자빔으로 활성화된 hBN 내 파란 발광체의 응집성 및 스펙트럼 안정성 특성 분석.
• 스펙트럼 확산 및 진동자 보조 재결합을 포함한 선두폭 넓어짐 메커니즘 조사.
• 단일 광자 발광체에서의 라비 진동을 통한 응집성 광학 제어 증명.
• 이러한 발광체가 확장 가능한 양자정보 기술에 미치는 잠재력 평가.

제안 방법

• 개별 발광체의 방출 스펙트럼 및 응집성 특성 분석을 위해 조절 가능한 Ti: Sapphire 레이저를 이용한 공 resonance 자극.
• 다양한 자극 강도에서 라비 진동을 탐지하기 위해 한버리-브라운 앤 투이스 장치를 활용한 이차 상관 측정(g(2)) 수행.
• 방출 전기 dipole 방향 및 분극성도를 결정하기 위해 시간 해상도가 있는 광발광 및 편광 측정 수행.
• 제로-phonon 선을 매핑하고 시간에 따른 스펙트럼 확산 평가를 위해 광발광 자극 스펙트로스코피(이하 PLE) 수행.
• 수명 및 상관 측정에서 배경 보정을 위해 405 nm 레이저를 비공 resonance 자극에 사용.
• 라비 진동 데이터를 함수 g(2)(τ) = 1 + |g(1)(τ)|^2에 맞추어 피팅하고, T1, T2*, ΩR/2π 등의 파rameter 추출.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 냉각 온도에서 전자빔으로 생성된 hBN 내 파란 발광체에서 응집 상태가 유지될 수 있는가?
• RQ2 선두폭 넓어짐의 주요 기여 요소는 무엇인가—스펙트럼 확산인지, 진동자 보조 재결합인지?
• RQ3 라비 주파수는 자극 강도에 따라 어떻게 변화하며, 이는 전기 dipole 강도에 대해 어떤 의미를 갖는가?
• RQ4 발광 편광은 hBN 결정 격자 대칭성과 어느 정도 관련이 있는가?
• RQ5 응집성 시간과 스펙트럼 안정성 조건을 고려할 때, 이 발광체는 고정밀 이중광자 간섭을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 46개의 발광점에서 제로-phonon 선(ZPL) 파장이 매우 일관되며 평균 435.98 nm ± 0.21 nm로 나타나 좁은 스펙트럼 분포를 나타낸다.
• 0.1 μW에서 2 μW까지의 자극 강도 범위에서 g(2)(τ) 측정에서 라비 진동이 관측되어 광학 전이의 응집 제어가 가능함을 확인한다.
• 1 μW 자극 조건에서 순수한 위상 분산 시간 T2*는 1.13 ns로 측정되었으며, 이로부터 응집성 시간 T2는 0.90 ns로 산정된다.
• 라비 주파수는 레이저 강도의 제곱근에 비례하여 선형적으로 증가함을 확인하여 전기장 진폭에 대한 예상된 의존성과 일치한다.
• 연속된 PLE 모니터링 280초 동안 스펙트럼 확산이 관측되지 않아 높은 스펙트럼 안정성을 나타낸다.
• 편광 측정 결과, 방출 전기 dipole 방향과 hBN 격자 대칭성 간 강한 상관관계가 없음을 확인하여 고대칭 결함 구조가 존재하지 않음을 시사한다.