[논문 리뷰] Transform-limited photons from a tin-vacancy spin in diamond

Matthew E. Trusheim, Benjamin Pingault외 14명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 19.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 2

한 줄 요약

이 연구는 다이아몬드 내 주석 공여체(SnV) 중심이 변환 제한된 광학 전이와 긴 전자 스핀 수명을 나타내어 양자 네트워크에 이상적인 조건을 만족시킨다고 보여준다. 4 K에서 수행한 자화율 광학 스펙트로스코피를 통해 저자들은 복사 한계 폭과 다른 역대칭 색 중심보다 뛰어난 스핀 공명을 확인하였으며, SnV 중심이 양자 광학을 위한 견고한 플랫폼임을 입증하였다.

ABSTRACT

Solid-state quantum emitters that couple coherent optical transitions to long-lived spin states are essential for quantum networks. Here we report on the spin and optical properties of single tin-vacancy (SnV) centers in diamond nanostructures. Through magneto-optical spectroscopy at 4 K, we verify the inversion-symmetric electronic structure of the SnV, identify spin-conserving and spin-flipping transitions, characterize transition linewidths, and measure electron spin lifetimes. We find that the optical transitions are consistent with the radiative lifetime limit and that the spin lifetimes are longer than for other inversion-symmetric color centers under similar conditions. These properties indicate that the SnV is a promising candidate for quantum optics and quantum networking applications.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드 나노구조 내 단일 주석 공여체(SnV) 중심의 스핀 및 광학적 성질을 조사하기.
• SnV 중심이 장수 스핀 상태에 결합된 공명 광학 전이를 지원할 수 있는지 확인하기.
• 냉각 조건 하에서 SnV 중심의 복사 및 스핀 붕괴 동역학을 평가하기.
• 양자 기술 응용 분야에서 다른 역대칭 색 중심과 비교하여 SnV 중심의 성능을 평가하기.

제안 방법

• 4 K에서 단일 SnV 중심에 대한 자화율 광학 스펙트로스코피를 수행하여 전자 및 스핀 전이를 탐색하기.
• 전이 폭을 분석하여 공명 정도를 평가하고 복사 한계에 가까운지 확인하기.
• 자기장 조절을 통해 스핀 보존 및 스핀 전환 광학 전이를 식별하기.
• 시간 해상도가 높은 광학 기법을 사용하여 전자 스핀 수명을 측정하여 공명 시간 평가하기.
• 대칭 기반의 스펙트로스코픽 분석을 통해 SnV 중심의 역대칭 전자 구조를 확인하기.
• 관측된 광학 및 스핀 성질을 이론적 예측인 복사 및 스핀 붕괴 한계와 비교하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 다이아몬드 내 SnV 중심은 복사 붕괴 속도에 의해 제한되는 전이를 보여주는가?
• RQ2 냉각 조건 하에서 SnV 중심의 스핀 공명 범위는 어느 정도이며, 다른 색 중심과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 자화율 광학 스펙트로스코피를 통해 SnV 중심의 스핀 보존 및 스핀 전환 전이를 명확히 식별하고 특성화할 수 있는가?
• RQ4 이론적으로 예측한 바와 같이 SnV 중심의 전자 구조는 대칭성을 만족하는가?
• RQ5 다이아몬드 내 다른 역대칭 색 중심과 비교해 SnV 중심의 광학 및 스핀 수명은 어떻게 되는가?

주요 결과

• SnV 중심의 광학 전이는 복사 수명 한계와 일치하여 변환 제한된 방출을 나타낸다.
• 유사 조건 하에서 SnV 중심의 전자 스핀 수명은 다른 역대칭 색 중심보다 뛰어나다.
• 자화율 광학 스펙트로스코피를 통해 스핀 보존 및 스핀 전환 광학 전이가 명확히 식별되었다.
• 스펙트로스코픽 측정 기반으로 SnV 중심의 전자 구조가 역대칭임을 확인하였다.
• 관측된 폭과 스핀 공명 시간은 SnV 중심이 양자 네트워킹 응용 분야 잠재력을 지닌다는 것을 뒷받침한다.
• 좁은 광학 폭과 긴 스핀 공명 시간의 조합은 SnV 중심이 고체 상태 양자 발광체로서 선도적 후보임을 입증한다.