[논문 리뷰] Polarization properties of single photons emitted by nitrogen-vacancy defect in diamond at low temperature

Florian Kaiser, V. Jacques외 4명|ArXiv.org|2009. 06. 18.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 1인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 공명 자극을 통해 초저온에서 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심으로부터 방출되는 단일 광자의 편광 특성을 조사한다. 광학적 발광이 빠른 열 bath에 의해 두 개의 수직인 자극 상태 궤도 분량 간의 재결합으로 인해 부분적으로 편광되지 않음을 입증하며, 이는 편광 필터링을 적용하지 않으면 상호구별 불가능한 광자 생성을 제한한다.

ABSTRACT

In this report, the polarization properties of the photoluminescence emitted by single nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond are investigated using resonant excitation at cryogenic temperature. We first underline that the two excited-state orbital branches are associated with two orthogonal transition dipoles. Using selective excitation of one dipole, we then show that the photoluminescence is partially unpolarized owing to fast relaxation between the two orbitals induced by the thermal bath. This result might be important in the context of the realization of indistinguishable single photons using NV defect in diamond.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심으로부터 초저온에서 방출되는 단일 광자의 편광 특성을 조사하기.
• 특정 전이 두루프(dipole)를 통해 자극된 NV 중심으로부터의 광학적 발광이 편광되어 있는지 여부를 규명하기.
• 자극 상태 궤도 분량 간의 열 bath에 의해 유도되는 재결합이 광자 편광을 악화시키는 역할을 이해하기.
• 양자 정보 응용 분야에서 상호구별 불가능한 단일 광자를 생성하는 데 미치는 영향을 평가하기.
• 자기 상태의 재결합 동역학에 따른 편광도의 의존성에 대한 실험적 증거 제공하기.

제안 방법

• 형질 IIa 다이아몬드 내 개별 NV 중심을 공명 자극하여 초저온에서의 공명 자극을 수행하는 데 사용된 공역 현미경 설정.
• 자기 상태 궤도 이중체의 두 수직 전이 두루프(E_x 또는 E_y) 중 하나를 편광 조절된 레이저 자극을 통해 선택적으로 자극하기.
• 반사판과 1/4 파장판을 사용하여 방출된 광학적 발광의 편광 상태를 각도 함수로 분석하기.
• 속도 방정식을 사용한 자극 상태 인구 동역학 모델링: p_x(t) = ½(1 + e^(-2γt)) 및 p_y(t) = ½(1 - e^(-2γt)), 여기서 γ는 열 재결합 속도이다.
• 편광 대trast C = (1 - α²)/(1 + α²) 계산, 여기서 α = tanh(γτ), τ ≈ 12 ns는 복사 수명이다.
• 실험 데이터(발광 강도 대 반사판 각도)를 코사인 함수로 피팅하여 진폭 대비를 추출하고 재결합 시간 γ⁻¹을 유추하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 내 NV 중심의 두 자극 상태 궤도 분량은 수직 전이 두루프와 관련이 있는가?
• RQ2 특정 전이 두루프에서 선택적으로 자극되었을 때, 단일 NV 중심으로부터 방출되는 광학적 발광의 편광 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 두 자극 상태 궤도 분량 간의 열 bath에 의해 유도되는 재결합이 방출 광자의 편광에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 재결합 속도 γ와 관측된 발광의 편광도 사이의 관계는 무엇인가?
• RQ5 관측된 부분적인 비편광화는 복사 수명 동안 열 평형에 도달하는 모델로 정량적으로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 편광 해상도 측정을 통해 확인된 lin, 다이아몬드 내 NV 중심의 두 자극 상태 궤도 분량(E_x 및 E_y)은 (x,y) 평면 내 수직 전이 두루프와 관련이 있다.
• 한 전이 두루프를 선택적으로 자극했을 때, 광학적 발광은 55%의 편광 대비를 보이며 부분적인 편광을 나타낸다.
• 측정된 대비는 열 재결합 시간 γ⁻¹ ≈ 20 ns에 해당하며, 이는 재결합 속도가 복사 수명(τ ≈ 12 ns)보다 빠르다는 것을 의미한다.
• γ⁻¹ ≪ τ(예: γ⁻¹ < 3 ns)일 경우, 시스템은 방출 이전에 열 평형에 도달하여 완전히 비편광된 방출(C = 0)을 초래한다.
• γ⁻¹ ≫ τ일 경우, 방출은 완전히 편광될 것이며(C = 1) 하지만 일반적인 실험 조건에서는 이러한 조건을 만족하지 못한다.
• 다양한 NV 중심에서 관측된 대비의 변화(0–60%)는 국소 환경의 차이로 인한 재결합 속도 γ의 영향을 반영한다.