[논문 리뷰] Sub-megahertz homogeneous linewidth for Er in Si via in situ single photon detection

Ian R. Berkman, Alexey Lyasota외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 16.

Silicon Nanostructures and Photoluminescence참고 문헌 2인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 나노재작업을 생략하고 현장에서 단일 광자 검출을 통해 실리콘 내 어븀 이온에서 0.75 MHz까지의 초과하나메르츠 수평 라인폭을 달성하였다. 공진 광발광 자극과 초도체 단일 광자 검출기를 조합함으로써 저자들은 이전에 관측되지 않은 70개의 Er:Si 공진선을 해결하였으며, 광학 수명은 최대 1.5 ms이고 비균일 라인폭은 400 MHz 이하로 나타나, Er:Si가 양자 메모리 및 통신 응용 분야에서 선도적인 후보로 자리매김하였다.

ABSTRACT

We studied the optical properties of a resonantly excited trivalent Er ensemble in Si accessed via in situ single photon detection. A novel approach which avoids nanofabrication on the sample is introduced, resulting in a highly efficient detection of 70 excitation frequencies, of which 63 resonances have not been observed in literature. The center frequencies and optical lifetimes of all resonances have been extracted, showing that 5% of the resonances are within 1 GHz of our electrically detected resonances and that the optical lifetimes range from 0.5 ms up to 1.5 ms. We observed inhomogeneous broadening of less than 400 MHz and an upper bound on the homogeneous linewidth of 1.4 MHz and 0.75 MHz for two separate resonances, which is a reduction of more than an order of magnitude observed to date. These narrow optical transition properties show that Er in Si is an excellent candidate for future quantum information and communication applications.

연구 동기 및 목표

• 고해상도 스펙트럼 해상도를 통해 실리콘 내 삼가 어븀 이온의 광학적 성질을 특성화하는 것.
• 이전의 EPR, PL, PLE 기술이 개별 Er:Si 위치를 해상도 없이 해결하는 데 한계를 보였음을 극복하는 것.
• 양자 메모리 및 통신 응용 분야에 필수적인 1MHz 이하의 수평 라인폭을 달성하는 것.
• 표본 특화 나노재작업이 필요 없이 확장 가능한 현장에서의 방법을 개발하여 희토류 이온 전이를 탐색하는 것.
• Er:Si에서 다양한 공진선에 걸쳐 광학 수명과 비균일 라인폭을 측정하는 것.

제안 방법

• 초도체 단일 광자 검출기(SSIPD)를 사용하여 고감도의 현장 공진 광발광 자극(PL) 분광법을 적용함.
• 열적 라인폭을 최소화하고 신호 대 잡음비(SNR)를 향상시키기 위해 300 mK의 초저온 장치를 사용함.
• 선택된 공진선에 대해 일시적 스펙트럼 홀드닝을 수행하여 수평 라인폭을 추출함.
• 정밀한 레이저 주파수 제어 및 자극을 위해 음향광학 모듈레이터(AOM)와 전기광학 모듈레이터(EOM)를 적용함.
• 표본을 직접 현장에서 탐측함으로써 나노재작업을 회피하여 다수의 공진선을 빠르게 특성화함.
• 광자 수세기 및 붕괴 동역학에서 유도된 자극 강도, 라인폭, 수명을 측정함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실리콘 내 개별 Er:Si 공진선의 수평 라인폭은 얼마이며, 1MHz 이하로 줄일 수 있는가?
• RQ2 현장에서의 단일 광자 검출을 통해 얼마나 많은 이전에 관측되지 않은 Er:Si 공진선을 해결할 수 있는가?
• RQ3 Er:Si 전이의 광학 수명은 얼마이며, 공진 주파수와 어떻게 상관관계가 있는가?
• RQ4 비균일 라인폭은 Er:Si 광학 전이의 위상 일관성에 얼마나 영향을 미치는가?
• RQ5 비침습적이고 현장에서의 검출 방법이 표본 특화 나노재작업 없이도 1MHz 이하의 라인폭을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 1538.685 nm에서 공진선의 수평 라인폭은 0.75 MHz로 측정되었으며, 1532.254 nm에서는 1.4 MHz로 나타나 이전 결과보다 10배 이상 감소하였다.
• Er:Si 앙상블의 비균일 라인폭은 400 MHz 이하로 나타나 높은 스펙트럼 순도를 나타냈다.
• 광학 수명은 0.5 ms에서 1.5 ms 사이로 변동하였으며, 여러 공진선에서 1 ms를 초과하는 수명이 관측되었다.
• 총 70개의 고유한 공진선이 확인되었으며, 그 중 63개는 이전 EPR, PL, PLE 연구에서 관측되지 않은 바 있었다.
• 신호 대 잡음비(SNR)가 충분하여 1530–1540 nm 스펙트럼 범위에서 높은 정밀도로 좁은 특징을 해상할 수 있었다.
• 이 방법은 표본 특화 제작 없이도 다수의 공진선을 빠르고 비파괴적으로 특성화할 수 있었으며, 확장 가능성을 입증하였다.