[论文解读] Coherence properties of electron beam activated emitters in hexagonal boron nitride under resonant excitation

Jake Horder, Simon White+7 more|arXiv (Cornell University)|May 18, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 60被引用 47

一句话总结

本研究在5 K下研究了电子束激发的六方氮化硼（hBN）中蓝色发光体的相干光学特性。通过共振激发和二阶相关性测量，作者在1 μW激发下展示了长达0.90 ns的相干时间，实现了拉比振荡，证实了能够维持相干叠加态——这对基于hBN缺陷的可扩展量子技术至关重要。

ABSTRACT

Two dimensional materials are becoming increasingly popular as a platform for studies of quantum phenomena and for the production of prototype quantum technologies. Quantum emitters in 2D materials can host two level systems that can act as qubits for quantum information processing. Here, we characterize the behavior of position-controlled quantum emitters in hexagonal boron nitride at cryogenic temperatures. Over two dozen sites, we observe an ultra-narrow distribution of the zero phonon line at ~436 nm, together with strong linearly polarized emission. We employ resonant excitation to characterize the emission lineshape and find spectral diffusion and phonon broadening contribute to linewidths in the range 1-2 GHz. Rabi oscillations are observed at a range of resonant excitation powers, and under 1 ${\mu}$W excitation a coherent superposition is maintained up to 0.90 ns. Our results are promising for future employment of quantum emitters in hBN for scalable quantum technologies.

研究动机与目标

• 表征在低温下电子束激发的hBN中蓝色发光体的相干性和光谱稳定性。
• 研究线宽展宽机制，包括光谱扩散和声子辅助复合。
• 通过单光子发射体中的拉比振荡展示相干光学控制。
• 评估这些发光体在可扩展量子信息技术中的潜力。

提出的方法

• 使用可调谐钛蓝宝石激光器进行共振激发，以探测单个发光体的发射线形和相干性特性。
• 通过哈纳西-布朗和特维斯（Hanbury-Brown and Twiss）装置进行二阶相关性（g(2)）测量，以在不同激发功率下检测拉比振荡。
• 通过时间分辨光致发光和偏振测量，确定发射偶极子取向和极化率。
• 通过光致发光激发（PLE）光谱学测量，绘制零声子线并评估随时间的光谱扩散。
• 使用405 nm激光进行非共振激发，并在寿命和相关性测量中进行背景校正。
• 将拉比振荡数据拟合至函数 g(2)(τ) = 1 + |g(1)(τ)|^2，从拟合中提取参数 T1、T2* 和 ΩR/2π。

实验结果

研究问题

• RQ1 在低温下，电子束激发的hBN中蓝色发光体能否维持相干叠加态？
• RQ2 线宽展宽的主要贡献因素是光谱扩散还是声子辅助复合？
• RQ3 拉比频率如何随激发功率变化，这对其电偶极矩强度有何含义？
• RQ4 发射偏振与hBN晶格对称性之间的相关性如何？
• RQ5 鉴于其相干时间和光谱稳定性，这些发光体能否支持高保真度的两光子干涉？

主要发现

• 在46个发光体位点中，零声子线（ZPL）波长高度一致，平均为435.98 nm ± 0.21 nm，表明光谱分布较窄。
• 在0.1 μW至2 μW的激发功率下，g(2)(τ)测量中观察到拉比振荡，证实了对光学跃迁的相干控制。
• 在1 μW激发下，测得纯去相时间 T2* 为1.13 ns，由此得出相干时间 T2 为0.90 ns。
• 拉比频率与激光功率的平方根呈线性关系，证实其与电场振幅的预期依赖关系。
• 在280秒的连续PLE监测中未观察到光谱扩散，表明光谱稳定性高。
• 偏振测量显示，发射偶极子取向与hBN晶格对称性之间无显著相关性，表明缺陷结构缺乏高对称性。