[논문 리뷰] Coupling of deterministically activated quantum emitters in hexagonal boron nitride to plasmonic surface lattice resonances

Nicholas V. Proscia, Collison, Robert J.외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 05.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 76인용 수 236

한 줄 요약

이 연구는 헥사곤 알루미나 뉴트론산화물(hBN)에서 실온 단일광자 발광체를 은 나노피라 배열의 플라스모닉 표면 격자 공진모드(SLRs)에 스케일러블하고 결정적으로 결합하는 것을 보여준다. 나노피라 패턴을 통한 기질의 응력 공학을 통해 hBN 색 중심이 활성화되고 확산된 SLR 모드와 강하게 결합되며, 이로 인해 향상되고 방향성 있는, 스펙트럼적으로 수정된 발광이 발생한다—이는 조정 가능한 발광 제어 기능을 갖춘 칩 내 양자 광학 응용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Cooperative phenomena stemming from radiation-field-mediated coupling between individual quantum emitters are presently attracting broad interest for on-chip photonic quantum memories and long-range entanglement. Common to these applications is the generation of electromagnetic modes over macroscopic distances. Much research, however, is still needed before such systems can be deployed in the form of practical devices, starting with the investigation of alternate physical platforms. Quantum emitters in two-dimensional (2D) systems provide an intriguing route because these materials can be adapted to arbitrarily shaped substrates to form hybrid systems where emitters are near-field-coupled to suitable optical modes. Here, we report a scalable coupling method allowing color center ensembles in a van der Waals material - hexagonal boron nitride - to couple to a delocalized high quality plasmonic surface lattice resonance. This type of architecture is promising for photonic applications, especially given the ability of the hexagonal boron nitride emitters to operate as single-photon sources at room temperature.

연구 동기 및 목표

• hBN 색 중심 발광체를 광모드에 스케일러블하고 결정적으로 활성화 및 결합하는 방법을 개발하기 위해.
• 확산된 플라스모닉 표면 격자 공진모드(SLRs)를 통해 장거리 발광체 상호작용을 가능하게 하기 위해.
• 2차원 반데발스 헤테로구조를 사용하여 실온 단일광자 소스의 방향성 및 스펙트럼적으로 수정된 발광을 공학적으로 조절하기 위해.
• 결함 기반 발광체를 플라스모닉 나노구조물과 통합하여 칩 내 양자 광학 응용을 실현하기 위해.

제안 방법

• 피치(220–2000 nm)와 지름(50–400 nm)을 조절할 수 있는 전자빔 리소그래피를 통해 주기적인 은 나노피라 배열을 제작하였다.
• 습식 전달을 통해 CVD로 증착한 20-nm 두께의 hBN 플레이크를 Ag 배열에 증착하여 반데발스 헤테로구조를 형성하였다.
• 나노피라 유도 응력에 의한 기질 공학을 통해 hBN 색 중심을 결정적으로 활성화하여 빛나는 방사성 상태로 전환시켰다.
• 방향성 및 스펙트럼 반응을 맵핑하기 위해 각도 분 giải 광발광(PL) 및 공집속 현미경을 수행하였다.
• 단일광자 발광과 발광체 동역학을 확인하기 위해 시간 분해 광발광 및 이阶 상관 함수(g(2)(0))를 측정하였다.
• 누출을 방지하고 플라스모닉 모드의 무결성을 유지하기 위해 Al2O3 캡핑층(10 nm)을 공학적으로 설계하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 스케일러블하고 패턴화된 기하구조에서 기질 유도 응력에 의해 hBN 색 중심의 결정적 활성화가 가능할 수 있는가?
• RQ2 플라스모닉 표면 격자 공진모드(SLRs)에 의한 결합이 hBN 발광의 방향성과 스펙트럼 프로파일에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 SLR 모드가 2차원 재료 내 실온 단일광자 소스의 발광을 어느 정도 향상시키고 방향성을 조절할 수 있는가?
• RQ4 집합적 SLR 모드가 공간적으로 분리된 독립적인 hBN 발광체 간의 장거리 상호작용을 매개할 수 있는가?
• RQ5 발광체 밀도와 공간적 국소화는 관측된 결합 효율성과 발광 특성에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 345-nm 피치, 150-nm 지름의 Ag 나노피라 배열에서 최고의 발광 대비를 나타내어 SLR 모드와의 강한 결합을 확인하였다.
• hBN 발광은 고각도에서 SLR 분산을 반영하여 매우 방향성이 높아졌으며, 깊은 빨간색 영역에서 발광 강도가 증가하였다.
• 각도 분해 광발광 측정에서 2000-nm 피치 배열에서는 분산가 없었으며(SLR 지원 불가), 이는 관측된 효과의 근본 원인이 SLR 유도 스펙트럼 및 각도적 수정임을 확인하였다.
• 공집속 영상 분석에서 나노피라 영역보다 hBN 영역에서의 발광이 선호되었으며, 찢어지거나 비구조적인 영역에서는 발광 강도가 크게 감소하였다.
• 시간 분해 광발광 측정에서 발광체는 1초 수준의 간헐적 번쩍임을 보였으며, 여러 발광체가 밝고 어두운 상태를 번갈아가며 존재하였다.
• g(2)(0) = 0.54 ± 0.04는 고립된 발광체에서 단일광자 발광을 확인하였으며, 100-nm 지름의 나노피라에서 신호에 기여하는 발광체 수는 ≤2개 이하였다.