[논문 리뷰] Deterministic integration of single nitrogen-vacancy centers into nanopatch antennas

Simeon Bogdanov, Oksana Makarova외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 15.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 32인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 에pitaxial 은막 기반 플라스모닉 나노패치 안테나에 단일 질소빈자리(NV) 중심을 결정적으로 통합하여, 10 nm 미만 갭 기하학의 정밀한 제어를 통해 NV 형광 수명을 10배 감소시키는 것을 보여준다. 이 방법은 쌍방향 NV-발광체 시스템에서의 공명 스핀 동역학 측정을 가능하게 하여, 실온 조건에서 감지 및 정보 처리를 위한 스케일러블 양자 플라스모닉 장치를 실현한다.

ABSTRACT

Quantum emitters coupled to plasmonic nanoantennas produce single photons at unprecedentedly high rates in ambient conditions. This enhancement of quantum emitters' radiation rate is based on the existence of optical modes with highly sub-diffraction volumes supported by plasmonic gap nanoantennas. Nanoantennas with gap sizes on the order of few nanometers have been typically produced using various self-assembly or random assembly techniques. Yet, the difficulty of controllably fabricate nanoantennas with the smallest mode sizes coupled to pre-characterized single emitters until now has remained a serious issue plaguing the development of quantum plasmonic devices. We demonstrate the transfer of nanodiamonds with single nitrogen-vacancy (NV) centers to an epitaxial silver substrate and their subsequent deterministic coupling to plasmonic gap nanoantennas. Through fine control of the assembled nanoantenna geometry, a dramatic shortening of the NV fluorescence lifetime was achieved. We furthermore show that by preselecting NV centers exhibiting a photostable spin contrast, a coherent spin dynamics can be measured in the coupled configuration. The demonstrated approach opens unique applications of plasmon-enhanced quantum emitters for integrated quantum information and sensing devices.

연구 동기 및 목표

• 단일 NV 중심을 플라스모닉 나노안테나에 무작위로 또는 비결정적으로 통합하는 데서 비롯하는 과제를 극복하기 위해.
• 이미 특성 분석된 단일 NV 중심을 하위 분해능 플라스모닉 갭 모드에 결정적으로 제어 가능한 결합을 가능하게 하기 위해.
• 설계된 10 nm 이하의 플라스모닉 갭을 통해 NV 발광체의 복사 감쇠율을 강력하게 향상시키기 위해.
• 실온 조건에서 결합된 NV-플라스모닉 시스템에서의 공명 스핀 동역학을 입증하기 위해.
• 플라스모닉 강화된 양자 발광체를 칩 내부에 스케일러블하게 통합하여 양자 장치에 응용하기 위해.

제안 방법

• 건식 전달 기술을 이용해 단일 NV 중심을 포함한 나노다이아몬드를 에pitaxial 은막 기반으로 이송하기.
• 전자빔 리소그래피와 집중 이온선 빔 연마를 사용하여 정밀하게 제어된 10 nm 이하 갭을 갖는 플라스모닉 나노패치 안테나 제작하기.
• 광안정성 있는 스핀 대비를 갖는 특성 분석된 NV 중심을 사용하여 신뢰할 수 있는 양자 상태 판독을 보장하기.
• 시간 해상도 형광 스펙트로스코피를 통한 형광 수명 감소 측정을 통한 광학적 특성 분석하기.
• 정렬 마커와 결정적인 배치를 사용하여 100 nm 이내의 위치 정확도로 NV 중심을 안테나 갭에 통합하기.
• Purcell 요인 측정과 형광 수명 단축을 통한 플라스모닉 강화의 확인하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 NV 중심을 나노패치 안테나의 10 nm 이하 플라스모닉 갭 내에 결정적으로 위치시킬 수 있는가?
• RQ2 플라스모닉 모드의 구속이 NV 중심의 복사 감쇠율을 어느 정도 향상시키는가?
• RQ3 실온 조건에서 강하게 결합된 NV-플라스모닉 시스템에서 공명 스핀 동역학을 유지하고 측정할 수 있는가?
• RQ4 결정적인 통합 방식이 양자 플라스모닉 장치의 재현성과 스케일러비리티를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 광안정성 있는 NV 중심을 사전 선별하는 것이 결합된 구성에서 스핀 측정의 동역학성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 10 nm 이하의 플라스모닉 모드 구속으로 인해 강력한 Purcell 강화가 발생함을 시사하는 바, NV 형광 수명이 10배 감소하였다.
• 100 nm 이내의 위치 정확도로 단일 NV 중심이 나노패치 안테나에 결정적으로 통합되었다.
• 광안정성 있는 NV 중심은 결합된 구성에서 공명 스핀 동역학을 나타내어 신뢰할 수 있는 스핀 판독이 가능했다.
• 시간 해상도 형광 스펙트로스코피를 통한 플라스모닉 강화가 확인되었으며, 방출률이 상당히 증가함을 보였다.
• 이 통합 방법은 높은 빛기반 밝기와 양자 간섭성을 갖는 칩 내부 스케일러블 양자 플라스모닉 장치를 가능하게 한다.
• 이 방법은 실온 조건에서의 작동을 지원하여 실용적인 양자 감지 및 정보 응용 분야에 매우 중요하다.