[논문 리뷰] Optical superradiance of a pair of color centers in an integrated silicon-carbide-on-insulator microresonator

Daniil M. Lukin, Melissa A. Guidry외 7명|arXiv (Cornell University)|2022. 02. 10.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 CMOS 호환성 있는 4H-실리콘 카바이드 온 인슐레이터(SiCOI) 플랫폼에서 마이크로디스크 공진기와 결합된 실리콘 비공석(V_Si) 색 중심으로부터 광학적 수퍼방사성을 실험적으로 입증한다. 대칭성이 없는 구조에서 확장 가능한 나노광학과 함께 광학적으로 공명하는 결함을 통합함으로써, 저자들은 단일 방출자 협업도를 최대 0.8까지 도달시키고 이중 광자 수퍼방사성 방출을 관측하여 확장 가능한 양자 광학에서 결정론적 광자-방출자 상호작용을 가능하게 한다.

ABSTRACT

An outstanding challenge for color center-based quantum information processing technologies is the integration of optically-coherent emitters into scalable thin-film photonics. Here, we report on the integration of near-transform-limited silicon vacancy (V$_{ ext{Si}}$) defects into microdisk resonators fabricated in a CMOS-compatible 4H-Silicon Carbide-on-Insulator platform. We demonstrate a single-emitter cooperativity of up to 0.8 as well as optical superradiance from a pair of color centers coupled to the same cavity mode. We investigate the effect of multimode interference on the photon scattering dynamics from this multi-emitter cavity quantum electrodynamics system. These results are crucial for the development of quantum networks in silicon carbide and bridge the classical-quantum photonics gap by uniting optically-coherent spin defects with wafer-scalable, state-of-the-art photonics.

연구 동기 및 목표

• 웨이퍼 스케일링이 가능한 CMOS 호환성 있는 광학 플랫폼에 광학적으로 공명하는 비대칭성 없는 색 중심을 통합하기 위해.
• 오랜 기간 동안 나노광학적 구조에서 광학적 공명이 대칭성이 필요하다는 가정을 도전하기 위해.
• SiC 기반 마이크로디스크 공진기에서 수퍼방사성 및 디폴의 유도된 투과성과 같은 공진기 양자전기역학 효과를 실험적으로 입증하기 위해.
• 고품질 광회로와 고체 상태 스핀 결함을 조합하여 확장 가능한 칩 통합 양자 네트워크를 실현하기 위해.
• 큰 디폴 모멘트와 대칭성이 없음에도 불구하고 V_Si 결함이 얇은 필름 SiC 광학 회로와 호환됨을 검증하기 위해.

제안 방법

• CMOS 호환 공정을 사용하여 4H-SiC-on-insulator(SiCOI) 플랫폼에서 마이크로디스크 공진기를 제작하였다.
• 전자선 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 사용하여 Q ≈ 1.3×10⁵인 고품질의 웨이브기어 모드(WGM) 공진기를 정의하였다.
• 이온 주입과 열처리를 통해 V_Si 색 중심을 공진기 내에 통합하여 스펙트럼 안정성을 확보하였다.
• 스캐닝 광발광 흡수 스펙트로스코피(PLE)를 수행하여 방출자-공진기 결합을 매핑하고 공진기 매개변수를 추출하였다.
• 시간 분辩 광발광 및 간섭 측정을 통해 수퍼방사성 방출과 두 방출자 간 위상 공명을 조사하였다.
• 공진기 이탈, 상대적 방출자 위상(φ), 스핀-1/2 분포를 포함한 수치 모델을 적용하여 실험 데이터를 피팅하고 공명도를 유추하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대칭성이 없는 광학적으로 공명하는 색 중심이 얇은 필름, CMOS 호환성 광회로에 성공적으로 통합될 수 있는가?
• RQ2 SiC 마이크로디스크 공진기에서 도달 가능한 최대 단일 방출자 협업도는 얼마이며, 이는 양자전기역학 효과를 유도할 수 있는가?
• RQ3 단일 공진기 내의 두 색 중심이 수퍼방사성 방출을 보일 수 있는가? 그리고 이들의 공명 광자 방출 조건은 무엇인가?
• RQ4 다중 방출자 공진기 양자전기역학 시스템에서 다중 모드 간섭은 광자 산산이 방출 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 큰 디폴 모멘트와 대칭성이 없음에도 불구하고 V_Si 결함에서 스펙트럼 안정성과 광학적 공명이 유지되는가?

주요 결과

• 저자들은 SiC 마이크로디스크 공진기에서 최대 0.8까지의 단일 방출자 협업도를 달성하였으며, 이는 디폴의 유도된 투과성 관측을 가능하게 하였다.
• 메타안정 상태의 인구 셸빙으로 제한되어, 단일 V_Si 결함으로부터 0.4 MHz의 광자 탐지율이 측정되었다.
• 두 V_Si 색 중심에서의 수퍼방사성 방출이 실험적으로 입증되었으며, 집단적 방출과 일치하는 특징적인 1.5 ns 감쇠 시간을 보였다.
• 두 방출자 간의 상대 위상은 φ ≈ 0.34π mod π 및 φ ≈ 0.28π mod π로 추정되어 공진기 모드에 대한 공명 결합이 있음을 시사하였다.
• 일일 약 1 GHz의 스펙트럼 이격이 관측되었으며, 이는 공진기 표면에 비대칭적으로 얼음 침착으로 인한 응력으로 인한 것으로 추정되었고, 이로 인해 위상 이격도 발생하였다.
• 결과적으로, 오랫동안 나노광학적 구조에서 광학적 공명을 위해 대칭성이 필수적이라는 오래된 믿음을 도전하였으며, SiC에 다양한 색 중심을 통합할 수 있는 길을 열었다.