[논문 리뷰] Three megahertz photon collection rate from an NV center with millisecond spin coherence

Luozhou Li, Edward H. Chen외 8명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 10.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 42인용 수 87

한 줄 요약

이 논문은 다이아몬드 내 질소빈자리(NV) 중심에서의 광자 수집을 향상시키는 원형 '불새이' 다이아몬드 격자(Grating)를 제안한다. 이 격자는 3.0 ± 0.1)×10⁶ 개의 카운트/초라는 기록적인 수집 속도를 달성하면서도 밀리초 수준의 스핀 공명을 유지한다. 격자는 얇은 다이아몬드 막대에 나노제작된 것으로, 방출을 저수치 굴절률 모드로 재지향하여 고효율의 온칩 호환성 있는 양자 장치를 실현한다. 이는 센서 및 양자정보 분야에 적용 가능하다.

ABSTRACT

Efficient collection of the broadband fluorescence of the diamond nitrogen vacancy center is essential for a range of applications in sensing, on-demand single photon generation, and quantum information processing. Here, we introduce a circular `bullseye' diamond grating enabling a collected photon rate of $(3.0\pm0.1) imes10^6$ counts per second from a single nitrogen-vacancy center with a spin coherence time of 1.7$\pm$0.1 ms. Back-focal-plane studies indicate efficient redistribution into low-NA modes.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드의 고굴절률로 인한 전체 내부 반사로 인한 낮은 광자 수집 효율성의 한계를 극복하기 위해.
• 단일 NV 중심으로부터 광역 스펙트럼의 빛을 효율적으로 수집할 수 있는 평판형, 온칩 호환성 있는 나노구조를 개발하기 위해.
• 양자정보 응용을 위한 나노제작 과정 중에 NV 중심의 고유한 스핀 공명을 유지하기 위해.
• 스핀-광자 얽힘 및 단일 광자 소스를 위해 광역 및 좁은 스펙트럼 방출(예: 영음향선)을 효율적으로 수집하기 위해.
• 단일 칩 상에서 NV 중심과 광학 및 전자 부품을 통합할 수 있는 확장 가능한 플랫폼을 구현하기 위해.

제안 방법

• 반응성 이온 에칭과 단일 결정 실리콘 경화막을 사용하여 300 nm 두께의 다이아몬드 막대에 농심형 슬릿을 가진 원형 불새이 격자를 제작하였다.
• 680 nm 방출에 대해 2차 Bragg 조건을 만족시키기 위해 격자의 간격(a = 330 nm)을 설계하여 수직 방향으로 간섭 최대화를 유도하였다.
• 저근접장면 방출 패턴을 분석하기 위해 후방 초점면(BFP) 영상 기법을 사용하여 저수치 굴절률 모드로의 효율적 커플링을 확인하였다.
• 고감도 단일 NV 중심 검출을 위해 1.3 NA 오일 목적으로 협점 현미경을 사용하여 광학적 자극 및 수집을 수행하였다.
• 스핀 공명 측정(ODMR, 라마치, 하인 에코, CPMG)을 수행하여 스핀 공명 시간과 초우주상수 결합을 특성화하였다.
• Lumerical 소프트웨어를 사용한 FDTD 방법을 활용해 격자의 광학적 반응을 시뮬레이션하여 수집 효율성과 모드 분포를 예측하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 내 평판형 원형 불새이 격자가 단일 NV 중심의 광역 스펙트럼 광방출을 크게 향상시킬 수 있으며, 스핀 공명을 손상시키지 않을 수 있는가?
• RQ2 이 격자 구조를 사용하여 단일 NV 중심으로부터 얻을 수 있는 최대 광자 수집 속도는 얼마인가?
• RQ3 나노제작 공정이 다이아몬드 내 NV 중심의 스핀 공명 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 불새이 기하학적 구조가 스핀-광자 얽힘을 위한 좁은 스펙트럼(영음향선) 방출을 얼마나 효율적으로 수집하는가?
• RQ5 이 격자 구조는 확장 가능한 양자 장치를 위해 마이크로파 제어선 및 기타 광학 부품과 통합될 수 있는가?

주요 결과

• 불새이 격자는 단일 NV 중심으로부터 (3.0 ± 0.1)×10⁶ 개의 카운트/초라는 기록적인 광자 수집 속도를 달성하였으며, 이는 밀도가 높은 다이아몬드 내 유사한 NV 중심에 비해 10배 향상된 것이다.
• 환경 조건 하에서도 NV 중심은 1.7 ± 0.1 ms의 스핀 공명 시간을 유지하였으며, 이는 다이아몬드 밀도에서 보고된 최고 수준의 값과 유사하다.
• 후방 초점면 영상 분석을 통해 격자가 방출을 저수치 굴절률 모드로 효율적으로 재분배하여 수집 효율성을 향상시킴을 확인하였다.
• FDTD 시뮬레이션 결과, NV 중심이 불새이 중심에 위치할 경우 최대 수집 효율이 약 30%에 이를 뿐 아니라, 다이아몬드-공기 인터페이스에서 10 nm 이내에 위치해도 50% 이상의 효율을 유지함을 보였다.
• 좁은 스펙트럼 응용(Δλ/λ < 0.03)의 경우, NA = 1.5 굴절률 범위 내에서 총 두극자 방출의 90%를 수집 효율적으로 최적화할 수 있었다.
• CPMG 시퀀스를 통해 스핀 공명 시간을 1.7 ± 0.1 ms까지 연장하였으며, 이는 나노제작 공정이 NV 중심의 고정밀 스핀 특성을 유지하고 있음을 확인하였다.