[논문 리뷰] Scaling laws of the cavity enhancement for NV centers in diamond

Hanno Kaupp, Christian Deutsch외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 03.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 고정밀도 섬유 기반 마이크로공진기와 함께 나노다이아몬드 내 질소빈공(NV) 중심에서 풀리우스 강화의 스케일링 법칙을 규명한다. 공진기의 모드 체적과 품질 인자(quality factor)를 조절함으로써 저자들은 방출 스펙트럼 밀도를 최대 300배 향상시켰으며, 이는 파장 조절이 가능한 좁은 대역의 단일 광자 소스를 실현하고 강한 결합 영역으로의 길을 열어준다.

ABSTRACT

We employ a fiber-based optical microcavity with high finesse to study the enhancement of phonon sideband fluorescence of nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds. Harnessing the full tunability and open access of the resonator, we explicitly demonstrate the scaling laws of the Purcell enhancement by varying both the mode volume and the quality factor over a large range. While changes in the emission lifetime remain small in the regime of a broadband emitter, we observe an increase of the emission spectral density by up to a factor of 300. This gives a direct measure of the Purcell factor that could be achieved with this resonator and an emitter whose linewidth is narrower than the cavity linewidth. Our results show a method for the realization of wavelength-tunable narrow-band single-photon sources and demonstrate a system that has the potential to reach the strong-coupling regime.

연구 동기 및 목표

• 공진기의 품질 인자와 모드 체적을 독립적으로 변화시켜 NV 중심의 풀리우스 강화의 스케일링을 조사하기 위해.
• 조절 가능한 광학 마이크로공진기에서 좁은 선폭을 가진 방출체의 최대 달성 가능한 풀리우스 인자(F_P)를 결정하기 위해.
• 나노다이아몬드 내 NV 중심을 이용해 파장 조절이 가능한 좁은 대역의 단일 광자 소스 설계를 가능하게 하기 위해.
• NV 중심을 이용한 공진기 양자전기역학에서 강한 결합 영역에 도달할 수 있는지 탐색하기 위해.

제안 방법

• 고정밀도 섬유 기반 광학 마이크로공진기를 사용하여 공진기 파arameter를 정밀하게 제어하기 위해.
• 조절 가능한 공진기 파arameter를 활용해 품질 인자(Q)와 모드 체적(V)을 체계적으로 변화시켜 Q/V 스케일링 영역을 탐색하기 위해.
• 나노다이아몬드 내 NV 중심의 진동수 모드 빛 방출 스펙트럼을 측정하여 풀리우스 강화 효과를 평가하기 위해.
• 공진기 조정에 따른 방출 스펙트럼 밀도를 분석하여 효과적 풀리우스 인자를 추출하기 위해.
• 개방형, 완전히 조절 가능한 공진기의 특성을 활용하여 광범위한 공진기 파arameter 영역에 접근하기 위해.
• 관측된 강화 효과를 이론적 풀리우스 인자 스케일링 법칙 F_P ∝ Q/V와 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 나노다이아몬드 내 NV 중심에서 공진기의 품질 인자와 모드 체적이 변화할 때 풀리우스 강화는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ2 조절 가능한 마이크로공진기에서 NV 중심 방출의 최대 달성 가능한 스펙트럼 밀도 강화는 얼마인가?
• RQ3 관측된 강화 효과를 활용해 파장 조절이 가능한 좁은 대역의 단일 광자 소스를 실현할 수 있는가?
• RQ4 이 시스템은 공진기 양자전기역학에서 강한 결합 영역에 도달할 잠재력이 있는가?

주요 결과

• 마이크로공진기 내에서 풀리우스 강화로 인해 NV 중심의 방출 스펙트럼 밀도가 최대 300배 향상되었다.
• 관측된 강화 효과는 이론적 Q/V 의존성과 일치하여 풀리우스 인자 스케일링 법칙의 타당성을 확인하였다.
• 광범위한 방출체의 수명 변화가 미미함에도 불구하고 스펙트럼 밀도 강화가 상당히 크며, 이는 강한 전자기장 봉쇄를 시사한다.
• 이 시스템은 공진기 공명의 완전한 조절이 가능하여 NV 중심 방출의 파장 선택적 강화를 가능하게 한다.
• 이 결과는 공진기 대역폭보다 좁은 선폭을 가진 방출체의 최대 달성 가능한 풀리우스 인자를 직접 측정한 것이다.
• 이 플랫폼는 최적화된 방출체와 공진기 파arameter를 사용할 경우 강한 결합 영역에 도달할 잠재력이 높음을 보여준다.