[논문 리뷰] Waveguide-coupled single NV in diamond enabled by femtosecond laser writing

John P. Hadden, Vibhav Bharadwaj외 12명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 20.

Diamond and Carbon-based Materials Research인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 펌프스초크 레이저로 형성된 3차원 파손도와 마이크론 단위 정렬을 갖춘 단일 질소빈란(V) 중심을 통합한 다이아몬드 플랫폼을 제시하며, 파손도에 결합된 단일 광자 방출을 결정적으로 가능하게 한다. 주요 기여는 NV 중심과 광학 회로 간의 단일 광자를 라우팅하기 위한 확장 가능한, 칩 내 솔루션을 제공함으로써, 광학적으로 통합된 스핀 기반 자력 측정 및 양자 네트워킹 분야를 발전시킨다.

ABSTRACT

Diamond's nitrogen vacancy (NV) center is an optically active defect with long spin coherence times, showing potential for efficient nanoscale magnetometry and entanglement schemes. Recently, both the formation of buried 3D optical waveguides and high quality single NVs in diamond were demonstrated using femtosecond laser-writing. However, until now, combining these technologies has been an outstanding challenge. In this work, we fabricate laser-written photonic circuits in diamond aligned within micron resolution to single laser-written NVs, enabling an integrated platform providing deterministically positioned waveguide-coupled NVs. This fabrication technology opens the way towards on-chip optical routing of single photons between NVs and optically integrated spin-based magnetometry.

연구 동기 및 목표

• 다이아몬드에서 단일 NV 중심을 광학 파손도와 효율적으로 통합하여 단일 광자를 수집하는 데 도전 과제를 해결하기 위해.
• 펌프스초크 레이저로 형성된 파손도와 상대적으로 마이크론 단위 정밀도로 NV 중심을 결정적으로 위치시키기 위해.
• 다이아몬드 결함을 이용한 확장 가능한 칩 내 양자 광학 및 자력 측정 플랫폼을 개발하기 위해.
• 단일 광자가 NV 중심에서 방출되어 파손도에 효율적으로 결합되고 광학적으로 라우팅되는 기능성 통합 시스템을 구현하기 위해.

제안 방법

• 고공간 해상도로 임베디드 3차원 광학 파손도를 다이아몬드에 펌프스초크 레이저를 사용하여 형성한다.
• 동일한 펌프스초크 레이저 기법을 사용하여 다이아몬드 내에서 단일 질소빈란(V) 중심을 생성함으로써, 제어된 결함 형성을 확보한다.
• 레이저 파arameter 및 스캐닝 프로토콜의 정밀한 제어를 통해 파손도와 NV 중심의 위치를 마이크론 단위 해상도로 정렬한다.
• 통합된 시스템은 NV 중심에서 방출된 단일 광자를 직접 파손도에 결합시켜 칩 내 광자 라우팅을 가능하게 한다.
• 이 제조 공정은 기존의 다이아몬드 기반 양자 기술과 호환되며 확장 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 펌프스초크 레이저 기법을 사용하여 고품질의 파손도와 단일 NV 중심을 동시에 형성하고 정밀한 공간적 정렬을 달성할 수 있는가?
• RQ2 펌프스초크 레이저로 형성된 파손도에 결합된 경우, NV 중심에서의 단일 광자 방출 효율성과 안정성은 어떠한가?
• RQ3 파손도와 NV 중심의 통합이 결정적인 칩 내 광자 라우팅을 가능하게 하는가?
• RQ4 NV 중심과 파손도 사이의 마이크론 단위 정렬이 광자 수집 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 플랫폼은 확장 가능한 통합 양자 센싱 및 스핀 기반 양자 기술 분야에서 잠재력을 얼마나 지니는가?

주요 결과

• 저자들은 펌프스초크 레이저로 형성된 3차원 파손도와 마이크론 단위 정밀도로 정렬된 단일 NV 중심을 갖춘 다이아몬드 플랫폼을 성공적으로 제조하였다.
• NV 중심에서 방출된 단일 광자가 파손도에 효율적으로 결합되어 양자 빛의 칩 내 라우팅이 가능해졌다.
• 파손도와 NV 중심의 통합은 단일 제조 공정을 통해 이루어져 결정적인 위치 정렬과 높은 공간 해상도를 확보하였다.
• 이 플랫폼은 양자 광학 및 스핀 기반 자력 측정을 위한 확장 가능한 칩 내 솔루션을 제공한다.
• 이 기술은 다이아몬드 결함을 활용한 통합 양자 네트워크 및 향상된 나노스케일 센싱을 향한 길을 열어준다.