[논문 리뷰] Review Article: Quantum Nanophotonics in Diamond

Tim Schröder, Sara Mouradian외 7명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 17.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 192인용 수 3

한 줄 요약

이 리뷰는 다이아몬드 기반 양자 나노광학 분야의 최근 발전을 종합적으로 다루며, 파장 분리, 고체 잠김 렌즈, 광학 공진기와 같은 광학 구조를 통해 빛 수집을 향상시키고 강한 빛-물질 상호작용을 가능하게 하는 나노재료 제작 기술에 초점을 맞춘다. 주요 기여 사항으로는 결정적인 결함 중심 통합, 고-Q 나노공진기, 그리고 장수명 스핀 공명 및 수명 한계에 가까운 방출 스펙트럼 폭을 갖춘 스케일러블이고 고정밀도의 양자 네트워크를 가능하게 하는 하이브리드 시스템이 있다.

ABSTRACT

The past decade has seen great advances in developing color centers in diamond for sensing, quantum information processing, and tests of quantum foundations. Increasingly, the success of these applications as well as fundamental investigations of light-matter interaction depend on improved control of optical interactions with color centers -- from better fluorescence collection to efficient and precise coupling with confined single optical modes. Wide ranging research efforts have been undertaken to address these demands through advanced nanofabrication of diamond. This review will cover recent advances in diamond nano- and microphotonic structures for efficient light collection, color center to nanocavity coupling, hybrid integration of diamond devices with other material systems, and the wide range of fabrication methods that have enabled these complex photonic diamond systems.

연구 동기 및 목표

• 양자 응용 분야에서 다이아몬드 색 중심의 낮은 광자 수집 효율성과 약한 빛-물질 상호작용 문제를 해결한다.
• 스토캐스틱한 결함 생성을 극복하기 위해 고품질의 양자 노드를 위한 결정적이고 스케일러블한 제작 방법을 개발한다.
• 나노광학적 다이아몬드 구조에서 광학적 및 스핀 성질의 제어를 향상시켜 고정밀도의 양자 정보 처리 및 센서링을 가능하게 한다.
• 다이아몬드 광학 장치를 다른 물질(예: 초전도성 검출기)과 통합하여 검출 효율성과 시스템의 확장성을 향상시킨다.
• 단일 광자를 라우팅, 상호작용, 검출하는 데 사용되는 하이브리드 및 전체 다이아몬드 광학 아키텍처의 설계를 발전시킨다.

제안 방법

• 다이아몬드의 다결정 및 단일 결정 구조를 가공하기 위해 집중 이온 비드 연마, 전자선 리소그래피, 그리고 각도/등방성 에칭과 같은 고급 나노재료 제작 기술을 활용한다.
• 이식 가능한 실리콘 마스크 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 적용하여 고비율, 고품질의 다이아몬드 나노구조를 구현한다.
• 다이아몬드 성장 과정에서 색 중심의 공간적 및 스펙트럼적 위치를 제어하기 위해 델타 doping 및 이온 주입을 시행한다.
• 박막 및 블록 다이아몬드를 사용하여 월슨-갤러리 모드 및 광결정 공진기와 같은 광학 공진기를 설계하여 고 Q 인자와 작은 모드 부피를 달성한다.
• 다이아몬드 기판에 초전도 나선형 단일 광자 검출기(SNSPD)를 통합하여 1550 nm에서 66% 이상의 검출 효율을 달성한다.
• 결정적인 결합 기술을 적용하여 결함의 전기 dipole 모멘트를 광학 모드와 정렬함으로써 고정밀도의 조건부 단일 광자 방출을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결함 유도 위상 분리를 최소화하면서 고품질, 고-Q 다이아몬드 광학 구조를 달성하기 위해 나노재료 제작 기술을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 스케일러블한 양자 네트워크를 위해 색 중심을 나노공진기와 결정적으로 위치 및 결합하기 위한 제작 전략은 무엇인가?
• RQ3 초전도성 검출기 및 파이프웨이브와의 하이브리드 통합은 단일 광자 검출 효율성과 타이밍 해상도를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 드라이 에칭으로 인한 표면 결함 및 격자 손상은 스핀 공명과 방출 스펙트럼 폭을 어떻게 악화시키며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 결함 전이 주파수와 공진기 공진 주파수를 조절하여 Q 인자나 공명을 손상시키지 않고 공진 결합을 달성할 잠재력은 어느 정도인가?

주요 결과

• 박막 및 블록 다이아몬드에서 Q 인자가 10^5를 초과하는 고품질 다이아몬드 광학 구조를 구현하여 강한 빛-물질 상호작용을 달성하였다.
• 다이아몬드 기판에 부착된 초전도 나선형 단일 광자 검출기(SNSPD)는 1550 nm에서 66%의 검출 효율과 190 ps의 타이밍 해상도를 달성하였다.
• 질소-빈약 중심(NV 중심)을 광학 공진기에 결정적으로 결합함으로써 수명 한계에 가까운 방출 스펙트럼 폭을 달성하였으며, 현재 약 30의 열화 요인에도 불구하고 기본 한계에 근접하였다.
• 파이프웨이브 및 고체 잠김 렌즈 구조는 밀도 다이아몬드 대비 최대 10배의 광자 수집 효율 향상을 보여 단일 광자 소스의 밝기를 향상시켰다.
• 다이아몬드 파이프웨이브와 질화니obium(NbN) SNSPD를 폴리크리스탈 다이아몬드 기판에 하이브리드 통합함으로써 낮은 데일리 컨트 및 높은 검출 효율을 달성하였다.
• 제어된 이온 주입 및 델타 도핑을 통해 색 중심의 공간적 및 스펙트럼적 위치를 정밀하게 제어하여 양자 노드 제작의 스트로스틱성 감소를 달성하였다.