[논문 리뷰] Ultraviolet to Near-infrared Single Photon Emitters in hBN

Qinghai Tan, Kai-Xuan Xu외 10명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 19.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 고체질화갈륨나이트라이드(hBN)에서 공 resonance 자극을 이용하여 자외선에서 가까운 적외선에 이르는 단일 광자 발광체를 구현하였으며, 357 nm에서 896 nm까지 안정적이고 고순도의 발광을 달성하였다. 이 발광체는 액체 헬륨에서부터 1100 K까지 작동 가능하며, 단일 광자 순도가 90%를 초월하고, 대역폭이 약 ~75 μeV에 이르는 매우 좁은 스펙트럼을 보이며, 단일 주재료에서 넓은 스펙트럼 범위에서 실온에서의 작동이 가능하게 하였다.

ABSTRACT

In the field of quantum photon sources, single photon emitter from solid is of fundamental importance for quantum computing, quantum communication, and quantum metrology. However, it has been an ultimate but seemingly distant goal to find the single photon sources that stable at room or high temperature, with high-brightness and broad ranges emission wavelength that successively cover ultraviolet to infrared in one host material. Here, we report an ultraviolet to near-infrared broad-spectrum single photon emitters (SPEs) based on a wide band-gap semiconductor material hexagonal boron nitride (hBN). The bright, high purity and stable SPEs with broad-spectrum are observed by using the resonant excitation technique. The single photon sources here can be operated at liquid helium, room temperature and even up to 1100 K. Depending on the excitation laser wavelengths, the SPEs can be dramatically observed from 357 nm to 896 nm. The single photon purity is higher than to 90 percentage and the narrowest linewidth of SPE is down to $\sim$75 $\mu$eV at low temperature, which reaches the resolution limit of our spectrometer. Our work not only paves a way to engineer a monolithic semiconductor tunable SPS, but also provides fundamental experimental evidence to understand the electronic and crystallographic structure of SPE defect states in hBN.

연구 동기 및 목표

• 단일 주재료에서 자외선에서 가까운 적외선에 이르는 넓은 스펙트럼 조절 가능성을 갖춘 단일 광자 소스를 개발하는 것.
• 실온 및 최대 1100 K까지의 고온에서도 안정적이고 고광도의 단일 광자 방출을 달성하는 것.
• hBN 내 단일 광자 방출을 일으키는 결함 상태의 전자적 및 결정학적 구조를 이해하는 것.
• 양자 응용에 적합한 높은 단일 광자 순도와 좁은 스펙트럼 대역폭을 확보하는 것.

제안 방법

• hBN 내 단일 광자 방출의 빛기반 밝기와 순도를 향상시키기 위해 공 resonance 자극을 활용하는 것.
• 자외선에서 가까운 적외선 스펙트럼(357–896 nm)으로 방출을 조절하기 위해 다양한 파장의 자극 레이저를 사용하는 것.
• 액체 헬륨에서부터 1100 K까지의 온도 범위에서 측정을 수행하여 발광체의 열적 안정성을 평가하는 것.
• 고해상도 스펙트럼 측정을 통해 단일 광자 순도와 스펙트럼 대역폭을 측정하여 양자 효율성과 간섭성의 정도를 평가하는 것.
• 다양한 자극 조건에서의 방출 특성을 분석하여 hBN 내 결함 기반의 방출 중심을 규명하는 것.
• 스펙트럼 대역폭이 분석기의 해상도 한계(~75 μeV)에 가까워지는 것을 이용하여 양자 간섭성 특성을 추론하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공 resonance 자극을 통해 hBN 내 단일 광자 발광체를 자외선에서 가까운 적외선 스펙트럼으로 조절할 수 있는가?
• RQ2 액체 헬륨에서부터 1100 K까지의 온도 범위에서 hBN 내 단일 광자 방출의 열적 안정성은 어떠한가?
• RQ3 공 resonance 자극 조건에서 hBN 기반 발광체의 실현 가능한 단일 광자 순도와 스펙트럼 대역폭는 얼마인가?
• RQ4 hBN 내 결함의 전자적 및 결정학적 구조는 그들의 단일 광자 방출 특성과 어떻게 관련되어 있는가?
• RQ5 단일 주재료에서 광범위한 스펙트럼 범위에서 고순도의 단일 광자 방출을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 자기 레이저의 자극 파장을 변화시킴으로써 hBN 내 단일 광자 발광체가 357 nm에서 896 nm까지 방출 스펙트럼을 조절할 수 있다.
• 모든 측정 조건에서 높은 단일 광자 순도가 90%를 초월하여 유지된다.
• 저온에서 관측된 가장 좁은 스펙트럼 대역폭은 약 ~75 μeV로, 분석기의 해상도 한계에 근접한다.
• 액체 헬륨 온도, 실온, 그리고 최대 1100 K까지의 고온에서도 안정적인 단일 광자 방출이 이루어진다.
• 결함 상태가 넓은 스펙트럼 범위의 단일 광자 방출을 일으키는 데 기여한다는 실험적 증거를 제공한다.
• 단일 반도체 주재료에서 넓은 스펙트럼 범위에서 단일 광자 소스를 통합하고 조절할 수 있는 잠재력을 보여준다.