[논문 리뷰] Stark effect of quantum blue emitters in hBN

Ivan Zhigulin, Jake Horder외 8명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 01.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 436 nm 발광 파장을 가진 헥사곤형 붕소질화물(hBN) 내 파란 양자 발광체의 스타크 효과를 조사하여, 전이 도플러 모멘트가 거의 없는 것으로 나타나는 약한 주로 제곱형 스타크 이완을 규명하였다. 결과적으로 이러한 발광체는 D3h 대칭성을 가지며, 탄소 기반의 분할 격자 내 결함(C₂^N)에 기인할 가능성이 높아 스펙트럼 확산에 매우 저항적이며 통합 양자 광학 장치에 매우 적합하다.

ABSTRACT

Inhomogeneous broadening is a major limitation for the application of quantum emitters in hBN to integrated quantum photonics. Here we demonstrate that blue emitters with an emission wavelength of 436 nm are less sensitive to electric fields than other quantum emitter species in hBN. Our measurements of Stark shifts indicate negligible transition dipole moments for these centers with dominant quadratic stark effect. Using these results, we employed DFT calculations to identify possible point defects with small transition dipole moments, which may be the source of blue emitters in hBN.

연구 동기 및 목표

• 436 nm 발광을 보이는 hBN 내 블루 양자 발광체의 전기장에 대한 민감도를 이해하기 위해.
• 스택 이완 반응 분석을 통해 이러한 발광체의 원자 구조를 규명하기 위해.
• 변동 전기장에 의한 스펙트럼 확산으로 인한 비균일한 브로드닝을 줄이기 위해.
• 양자 장치의 스펙트럼 안정성 향상을 위해 영구 도플러 모멘트가 최소인 결함을 식별하기 위해.
• 실험적 스타크 이완 측정값과 밀도함수이론(DFT) 시뮬레이션을 연결하여 결함의 구조를 할당하기 위해.

제안 방법

• 적층된 전기장과 평면 내, 평면 외 전기장을 적용하여 공진 조건에서의 스타크 이완을 측정하기 위해 공진(excitation)을 수행하였다.
• 전기장 강도에 따른 영향 없는 선(ZPL) 에너지 이완을 측정하여 선형 및 제곱형 기여도를 결정하였다.
• 관측된 비선형 스타크 반응을 바탕으로 결함의 점군을 추론하기 위해 대칭성 분석을 수행하였다.
• 후보 결함의 전자 구조 및 전기장에 따른 ZPL 에너지 의존성을 모델링하기 위해 DFT-PBE 계산을 수행하였다.
• 질소 및 탄소 기반의 분할 격자 내 결함, 치환 결함 및 반점 결함 등을 포함한 후보 결함 구조를 평가하였다.
• 전자빔 유도 생성과의 일치성, 대칭성, 복구 과정에서의 에너지 손실 등을 바탕으로 C₂^N 결함 모델을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 적용된 전기장 하에서 hBN 내 블루 발광체의 스타크 이완 반응의 성격은 무엇인가?
• RQ2 왜 블루 발광체는 hBN 내 다른 양자 발광체에 비해 거의 스펙트럼 확산를 나타내는가?
• RQ3 hBN 내 436 nm 발광을 보이며 도플러 모멘트가 최소인 원자 결함의 구조는 무엇인가?
• RQ4 결함의 대칭성이 전기장 반응과 스펙트럼 안정성에 어떻게 영향을 주는가?
• RQ5 DFT 시뮬레이션은 관측된 제곱형 스타크 이완을 재현할 수 있으며, 제안된 결함 모델을 지지할 수 있는가?

주요 결과

• hBN 내 블루 발광체는 약한, 주로 제곱형 스타크 이완을 나타내어 전이 도플러 모멘트가 거의 없음을 시사한다.
• 측정된 선형 스타크 이완은 라인폭 대비 작으며, 100 MHz/MV/m 이하의 크기를 가진다.
• 평면 내 방향에서 제곱형 스타크 이완이 유의미하게 크며, 이는 도플러 모멘트가 주로 hBN 평면 내에 국한되어 있음을 시사한다.
• DFT-PBE 계산 결과, C₂^N 결함 모델은 전기장 하에서 비선형 ZPL 에너지 이완을 재현하며 실험 결과와 정성적으로 일치한다.
• 전자 빔 조사에 의해 재구성되는 4.1 eV 발광체에서 유도된 C₂^N 결함는 D3h 대칭성을 가지며, 기초 상태 및 온도 상태에서 영구 도플러 모멘트가 없다.
• 이 결함는 에너적으로 안정적이며, 열처리 없이도 전자 조사 조건에서 자발적으로 형성될 수 있어 실험적 생성 조건과 일치한다.