[论文解读] Imaging a Nitrogen-Vacancy Center with a Diamond Immersion Metalens

Richard R. Grote, Tzu‐Yung Huang+6 more|arXiv (Cornell University)|Nov 2, 2017

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 58被引用 26

一句话总结

该论文展示了一种钻石浸没式金属透镜——由在单晶钻石基底上刻蚀出的亚波长TiO2柱构成——实现了高数值孔径（NA > 1.0）的氮空位（NV）中心成像，无需使用传统物镜。该金属透镜作为平面、高透射率的浸没透镜，测得的饱和计数速率为121.7 ± 2.2个光子/毫秒，表明NA ≈ 1.4，实现了高效、可扩展的光纤耦合NV中心光致发光收集，适用于量子技术。

ABSTRACT

Solid-state quantum emitters have emerged as robust single-photon sources and addressable spins: key components in rapidly developing quantum technologies for broadband magnetometry, biological sensing, and quantum information science. Performance in these applications, be it magnetometer sensitivity or quantum key generation rate, is limited by the number of photons detected. However, efficient collection of a quantum emitter's photoluminescence (PL) is challenging as its atomic scale necessitates diffraction-limited imaging with nanometer-precision alignment, oftentimes at cryogenic temperatures. In this letter, we image an individual quantum emitter, an isolated nitrogen-vacancy (NV) center in diamond, using a dielectric metalens composed of subwavelength pillars etched into the diamond's surface. The metalens eliminates the need for an objective by operating as a high-transmission-efficiency immersion lens with a numerical aperture (NA) greater than 1.0. This design provides a scalable approach for fiber coupling solid-state quantum emitters that will enable the development of deployable quantum devices.

研究动机与目标

• 为克服在低温下使用传统物镜收集单个NV中心光致发光时的局限性。
• 通过用平面、平板光学元件替代高NA物镜，消除在量子发射体成像中对笨重、真空兼容光学元件的需求。
• 通过在钻石基底上直接制造高透射率、高NA的介质金属透镜，实现固态量子发射体的可扩展、光纤耦合集成。
• 通过使用亚波长结构的超表面透镜，解决高折射率钻石基质中的全内反射和球面像差问题。

提出的方法

• 设计一种介质金属透镜，利用在单晶钻石基底上刻蚀出的亚波长TiO2柱，形成具有定制相位分布的平面浸没透镜。
• 使用布洛赫模有效折射率和光程差计算方法，确定在700 nm波长下实现所需相位调制的柱体直径。
• 通过电子束光刻和感应耦合等离子体反应离子束蚀刻工艺制造出高深宽比、亚波长的柱体结构。
• 利用光纤耦合光路对准金属透镜并测量其反射光谱，同时以平面钻石表面为参考，使用菲涅尔系数进行归一化。
• 通过在不同激发功率下测量饱和计数速率，并采用非线性饱和模型拟合，对光子收集效率进行定量表征。
• 通过信号与背景比（ρ = 0.26 ± 0.01）对二阶相关函数进行背景校正，并采用三能级系统模型进行拟合。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过直接在钻石基底上刻蚀介质金属透镜，实现NA > 1.0，以高效收集NV中心的光致发光？
• RQ2 平面浸没金属透镜在单个NV中心的光子收集效率方面是否优于传统高NA物镜？
• RQ3 该金属透镜在高折射率钻石中在多大程度上减轻了全内反射和球面像差带来的损耗？
• RQ4 该金属透镜的实测饱和计数速率是多少？与传统共聚焦收集方式相比如何？
• RQ5 该金属透镜能否实现固态量子发射体在实际量子器件中的光纤耦合、可扩展集成？

主要发现

• 金属透镜测得的饱和计数速率为121.7 ± 2.2个光子/毫秒，显著高于共聚焦光路的33.5 ± 0.6个光子/毫秒，表明其具有更高的光子收集效率。
• 根据饱和速率比估算，金属透镜的数值孔径约为NA ≈ 1.4，证实NA > 1.0，可在钻石中实现亚波长聚焦。
• 金属透镜的反射光谱在正入射下显示17%的基线反射率，与菲涅尔系数一致，波纹现象归因于分束器的鬼影效应。
• 经过背景校正的二阶相关函数g^(2)(τ)证实了单光子发射特性，g^(2)(0) ≈ 0.05，表明具有强反聚束特性，符合高保真单光子源行为。
• 该金属透镜设计消除了对笨重物镜和低温恒温器窗口的需求，为量子发射体提供了一种可扩展、光纤耦合的平台。
• 通过压电位移台位移测量并结合钻石与油的折射率比（n_D / n_oil）对焦距进行校正，有效补偿了成像畸变。