[논문 리뷰] Photophysics of single nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds coupled to photonic crystal cavities

Philip P. J. Schrinner, Jan Olthaus외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 22.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 나노다이아몬드에 고립된 질소빈자리(NV) 중심을 1차원 광결정 공진자와 결합시켜 그 광물리적 성질을 조사하며, 퇴적계 강화 및 복사형 붕괴율을 측정하기 위해 세 가지 독립적인 기술을 활용한다. 저자들은 NV 중심에서 내부 양자 효율을 90%로 달성하여, 고반복률 단일 광자 소스에 적합한 확장 가능한 나노광학 플랫폼에서 거의 일치하는 효율을 입증한다.

ABSTRACT

The nitrogen vacancy center in diamond in its negative charge state is a promising candidate for quantum optic experiments that require single photon emitters. Important benefits of the NV center are its high brightness and photo-stability, even at room temperature. Engineering the emission properties of NV centers with optical resonators is a widely followed approach to meet the requirements for quantum technological applications, but the effect on non-radiative decay paths is yet to be understood. Here we report on modifying the internal quantum efficiency of a single NV center in a nanodiamond coupled to a 1D photonic crystal cavity. We assess the Purcell enhancement via three independent measurement techniques and perform autocorrelation measurements at elevated excitation powers in confocal microscopy. Employing a three-level model allows us to extract the setup efficiency, individual transition rates and thus the internal quantum efficiency of our system. Combining our results, we find that the enhancement of the radiative decay rate via the Purcell effect results in an internal quantum efficiency of 90 % for cavity-coupled NV centers. Our findings will facilitate the realization of nano-scale single photon sources with near-unity internal quantum efficiencies operating at high repetition rates.

연구 동기 및 목표

• 나노다이아몬드 내 고립된 질소빈자리(NV) 중심을 1차원 광결정 공진자와 결합시킬 경우 그 복사형 및 비복사형 붕괴 경로에 어떤 영향을 미치는지 이해하는 것.
• 다양한 독립적인 실험 기술을 사용하여 NV 중심의 복사형 붕괴율에 대한 퇴적계 강화를 측정하는 것.
• 다양한 조명 강도에서 공진자 결합 상태의 NV 중심의 내부 양자 효율을 측정하는 것.
• NV 중심의 전자 구조를 위한 삼준자 모델을 사용하여 개별 전이율과 장치 효율을 추출하는 것.
• 고반복률에서 작동하는 거의 일치하는 내부 양자 효율을 갖는 나노스케일 단일 광자 소스의 개발을 가능하게 하는 것.

제안 방법

• 단일 NV 중심의 발광을 측정하기 위해 고감도 단일 광자 탐지 기능을 갖춘 공진형 현미경을 사용하였다.
• 퇴적계 강화를 정량화하기 위해 수명 측정, 강도 상관관계, 그리고 강도 의존성 조명을 포함한 세 가지 독립적인 측정 기술을 사용하였다.
• NV 중심의 전자 전이를 위한 삼준자 모델을 적용하여 개별 복사형 및 비복사형 붕괴율을 추출하였다.
• 지역 광학 상태 밀도를 증가시켜 퇴적계 효과를 통해 복사형 붕괴율을 향상시키기 위해 1차원 광결정 공진자를 설계하였다.
• 자기상관측정을 고조도 조명 강도에서 수행하여 광자 통계를 평가하고 포화 또는 비선형 효과를 확인하였다.
• 내부 양자 효율을 복사형 붕괴율과 총 붕괴율의 비율로 계산하였으며, 이는 피팅된 전이율에서 유도되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노다이아몬드 내 고립된 질소빈자리(NV) 중심을 1차원 광결정 공진자와 결합시킬 경우 그 내부 양자 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 퇴적계 효과는 NV 중심의 복사형 붕괴율을 어느 정도 향상시키며, 이 강화 효과는 여러 측정 기술 간 일관된가?
• RQ3 공진자 결합 상태에서 NV 중심의 개별 복사형 및 비복사형 붕괴율은 무엇인가?
• RQ4 고조도 조명 강도에서 시스템은 어떻게 작동하며, 단일 광자 방출 특성을 유지하는가?
• RQ5 공진자 결합 상태의 NV 중심의 내부 양자 효율은 실험적으로 측정하고 최적화할 수 있는가, 그리고 양자 기술 적용에 기여하는가?

주요 결과

• 퇴적계 강화는 세 가지 독립적인 실험 기술을 통해 일관되게 측정되었으며, 강화의 신뢰성을 확인하였다.
• 공진자 결합 상태의 NV 중심의 내부 양자 효율은 90%로 결정되었으며, 이는 90%의 조명 사건이 복사형 붕괴로 이어짐을 의미한다.
• 삼준자 모델은 개별 전이율을 성공적으로 추출하였으며, 공진자 설계 덕분에 비복사형 붕괴 경로가 크게 감소한 것으로 나타났다.
• 자기상관측정 결과, 고조도 조명 강도에서도 시스템이 강한 단일 광자 방출 특성을 유지하고 있음을 확인하였다.
• 장치 효율은 정량화되었으며, 고품질 광결정 공진자에 대한 이론적 기대와 일치하는 것으로 나타났다.
• 결과적으로 광결정 공진자는 비복사형 붕괴를 효과적으로 억제하고, NV 중심에서 거의 일치하는 내부 양자 효율을 가능하게 함을 보여주었다.