[논문 리뷰] Imaging and quantum efficiency measurement of chromium emitters in diamond

Igor Aharonovich, Stefania Castelletto외 3명|arXiv (Cornell University)|2010. 08. 17.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 깊이에 따라 변하는 깊이에서의 방출 두극자 방향성과 수명 측정을 통해 다이아몬드 내 단일 크롬 색심의 양자 효율(QE)을 직접 측정한 최초의 결과를 제시한다. 제어된 깊이에서 Cr 이온을 주입하고 공기 중과 다이아몬드 내부에서의 붕괴 속도를 분석함으로써, 평균 QE는 28% ± 4%로 결정되었으며, 두극자는 다이아몬드 표면에 거의 수직으로 정렬되어 있어 광학 구조와의 효율적 통합이 가능하다.

ABSTRACT

We present direct imaging of the emission pattern of individual chromium-based single photon emitters in diamond and measure their quantum efficiency. By imaging the excited state transition dipole intensity distribution in the back focal plane of high numerical aperture objective, we determined that the emission dipole is oriented nearly orthogonal to the diamond-air interface. Employing ion implantation techniques, the emitters were engineered with various proximities from the diamond-air interface. By comparing the decay rates from the single chromium emitters at different depths in the diamond crystal, an average quantum efficiency of 28% was measured.

연구 동기 및 목표

• 양자 광학 응용을 위한 핵심 매개변수인 다이아몬드 내 단일 크롬 색심의 양자 효율(QE)을 직접 측정하는 것.
• 다이아몬드 표면에 대한 개별 Cr 중심의 방출 두극자 방향성을 규명하여 광자 수확 및 광학 장치와의 통합에 영향을 미치는지 확인하는 것.
• 이온 주입을 통해 다이아몬드-공기 인터페이스로부터 제어된 깊이에 발광체를 설계하여 복사 환경을 조절하는 것.
• 표면 근처와 다이아몬드 내부에서의 수명 측정을 비교하여 두극자 방향성과 QE를 검증하는 것.
• 다이아몬드 기반 양자 장치의 최적화를 가능하게 하는 유망한 단일 광자 소스 플랫폼에 대한 기준을 제공하는 것.

제안 방법

• 고 NA 목표렌즈의 후방 초점 평면에서 단일 Cr 발광체의 방출 패atters를 영상화하여 강도 분포 분석을 통해 두극자 방향성을 규명한다.
• 50 keV(얕은, 약 25 nm 깊이) 및 6 MeV(깊은, 약 1.5 µm 깊이)에서의 이온 주입을 사용하여 다이아몬드-공기 인터페이스로부터 제어된 거리에 발광체를 생성한다.
• 표면 근처의 개별 발광체(1.24 ± 0.13 ns)와 결정 내부 깊은 곳의 발광체(0.92 ± 0.09 ns)의 자극 상태 수명을 측정하여 복사 강화 요소 β를 추출한다.
• 수식 QE = k_rad / (k_rad + k_nr)를 적용하여, k_rad는 균일한 매질 내 복사 붕괴 속도이고 k_nr는 비복사 붕괴 속도이며, β와 수명 데이터로부터 유추한다.
• SRIM 시뮬레이션을 사용하여 이온 주입 프로파일을 모델링하고 깊이 제어의 정확성을 확보하기 위해 종료 범위 분포가 겹치지 않도록 한다.
• 두극자 영상과 수명 측정을 조합하여 복사 붕괴 및 비복사 붕괴 경로를 분리하고, 이전의 가정에 의존하지 않고 QE를 독립적으로 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 크롬 색심의 본질적 양자 효율은 무엇이며, 발광체의 깊이에 따라 어떻게 변하는가?
• RQ2 단일 Cr 중심의 방출 두극자는 다이아몬드 표면에 대해 어떻게 정렬되어 있으며, 이 방향성은 광자 수확 효율에 영향을 미치는가?
• RQ3 간접적 또는 이론적 추정에 의존하지 않고도 단일 발광체의 양자 효율을 직접 측정할 수 있는가?
• RQ4 다이아몬드-공기 인터페이스 근처의 유전체 환경은 Cr 중심의 복사 붕괴 속도에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ5 이온 주입을 통해 표면에 가까운 발광체의 위치를 제어하여 QE 측정을 정밀하게 수행할 수 있는가?

주요 결과

• 다이아몬드 내 크롬 중심의 방출 두극자는 후방 초점 평면 영상으로 확인된 바, 다이아몬드-공기 인터페이스에 거의 수직으로 정렬되어 있다.
• 다이아몬드 내부의 크롬 발광체 평균 양자 효율은 28% ± 4%이며, 피크 방출 파장에 관계없이 중심의 집합체를 기준으로 측정되었다.
• 개별 발광체의 경우, 750 nm에서의 QE는 0.42 ± 0.06, 753 nm에서의 QE는 0.29 ± 0.05로 측정되었다.
• 표면 근처 발광체의 자극 상태 수명이 짧아진 것(1.24 ± 0.13 ns)이 다이아몬드 내부의 수명(0.92 ± 0.09 ns)과 비교될 때, 유전체 환경이 복사 붕괴에 미치는 영향을 확인한다.
• 거의 수직인 두극자 방향성은 광학 공진기 및 나노안테나와의 통합에 유리하며, NV 중심에서 관찰되는 무작위 방향성 문제를 해결한다.
• 비복사 붕괴 속도(769 MHz)는 이중 상태 전이 속도(5.1 MHz)보다 높아, 비복사 과정(예: 진동수 결합 또는 이온화)이 QE 손실에 크게 기여하고 있음을 시사한다.