[論文レビュー] Deterministic integration of single nitrogen-vacancy centers into nanopatch antennas

Simeon Bogdanov, Oksana Makarova+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 32被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、エpitaxial銀基板上に形成されたプラズモニックナノパッチアンテナに、ナノダイヤモンド内の単一窒素空位（NV）中心を決定的かつ制御可能に統合することに成功し、10 nm未満のギャップ幾何形状を精密に制御することで、NV発光寿命を劇的に10倍短縮した。この手法により、結合したNV発光体系におけるコherentスピンダイナミクスの測定が可能となり、常温下でもスケーラブルな量子プラズモニックデバイスのセンシングおよび情報処理への応用が可能となった。

ABSTRACT

Quantum emitters coupled to plasmonic nanoantennas produce single photons at unprecedentedly high rates in ambient conditions. This enhancement of quantum emitters' radiation rate is based on the existence of optical modes with highly sub-diffraction volumes supported by plasmonic gap nanoantennas. Nanoantennas with gap sizes on the order of few nanometers have been typically produced using various self-assembly or random assembly techniques. Yet, the difficulty of controllably fabricate nanoantennas with the smallest mode sizes coupled to pre-characterized single emitters until now has remained a serious issue plaguing the development of quantum plasmonic devices. We demonstrate the transfer of nanodiamonds with single nitrogen-vacancy (NV) centers to an epitaxial silver substrate and their subsequent deterministic coupling to plasmonic gap nanoantennas. Through fine control of the assembled nanoantenna geometry, a dramatic shortening of the NV fluorescence lifetime was achieved. We furthermore show that by preselecting NV centers exhibiting a photostable spin contrast, a coherent spin dynamics can be measured in the coupled configuration. The demonstrated approach opens unique applications of plasmon-enhanced quantum emitters for integrated quantum information and sensing devices.

研究の動機と目的

• 単一NV中心をプラズモニックナノアンテナにランダムに統合する課題を克服すること。
• 事前に特徴付けられた単一NV中心を、サブディファクションプラズモニックギャップモードに決定的かつ制御可能に結合すること。
• 設計された10 nm未満のプラズモニックギャップにより、NV発光体の放射率を強化すること。
• 常温下で結合したNV-プラズモニック系におけるコherentスピンダイナミクスの実証。
• プラズモニック強化量子発光体を、スケーラブルにオンチップ量子デバイスに統合することを可能にすること。

提案手法

• 乾式転写技術を用いて、単一NV中心を含むナノダイヤモンドをエpitaxial銀基板に転写すること。
• 電子線リソグラフィーとフォーカスドアイオントラブルマシニングを用いて、正確に制御された10 nm未塔のギャップを有するプラズモニックナノパッチアンテナの作製。
• 光安定性の高いスピンコントラストを示す事前に特徴付けられたNV中心を用い、信頼性の高い量子状態読み出しを確保すること。
• 時間分解光励起分光法を用いた発光寿命短縮の光学的特徴付け。
• アライメントマーカーと決定的配置を用いて、100 nm未塔の位置精度でNV中心をアンテナギャップに統合すること。
• Purcell係数の測定と発光寿命の短縮により、プラズモニック強化の検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一NV中心をナノパッチアンテナの10 nm未塔のプラズモニックギャップ内に決定的に配置できるか？
• RQ2 プラズモニックモードの閉じ込め効果が、NV中心の放射性崩壊率をどの程度向上させるか？
• RQ3 常温下で強く結合したNV-プラズモニック系において、コherentスピンダイナミクスが保持され、測定可能か？
• RQ4 決定的統合が、量子プラズモニックデバイスの再現性およびスケーラビリティをどの程度向上させるか？
• RQ5 光安定性の高いNV中心を事前に選別することで、結合状態におけるスピン測定のコherー二ンスと安定性にどのような影響を与えるか？

主な発見

• 10 nm未塔のプラズモニックモード閉じ込めによる強いPurcell効果が示され、NV発光寿命が10倍短縮された。
• 100 nm未塔の位置精度で、単一NV中心がナノパッチアンテナに決定的に配置された。
• 光安定性の高いNV中心は、結合状態においてコherentスピンダイナミクスを示し、信頼性の高いスピン読み出しを可能にした。
• 時間分解光励起分光によりプラズモニック強化が確認され、発光率の顕著な増加が観察された。
• 統合手法により、高輝度および高コherー二ンスを有するスケーラブルなオンチップ量子プラズモニックデバイスの実現が可能になった。
• 本手法は、実用的量子センシングおよび情報処理応用にとって不可欠な常温下での動作をサポートする。