[논문 리뷰] Integration of silicon-vacancy centers in nanodiamonds with an optical nanofiber

Ramachandrarao Yalla, Y. Kojima외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 05. 03.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 27인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 원자력현미경(AF) 헤드를 이용하여 나노다이아몬드 내 실리콘빈약 중심(SiV-NDs)을 자유경량 광학 나노섬유(ONF)에 최초로 실험적으로 통합한 바 있다. 마이크로파 플라즈마 보조 CVD를 통해 퀀츠 기질에 SiV-NDs를 성장시킨 후 이를 ONF로 이송함으로써, 유도 모드로의 결합 효율이 4.1±0.8%에 도달하여 실온에서 양자 광학 응용을 위한 효율적인 단일 광자 방출이 가능해졌다.

ABSTRACT

We experimentally demonstrate the integration of silicon-vacancy centers in nanodiamonds (SiV-NDs) with an optical nanofiber (ONF). We grow SiV-NDs on seed NDs dispersed on a quartz substrate using a microwave plasma-assisted chemical vapor deposition method. First, we search and characterize SiV-NDs on a quartz substrate using an inverted confocal microscope and an atomic force microscope (AFM). Subsequently, we pick up SiV-NDs from the quartz substrate and deposit them on the surface of a free-standing ONF using the AFM tip. The fluorescence emission spectrum, photon count rate, and intensity correlations for SiV-NDs are systematically measured.

연구 동기 및 목표

• 고품질 단일 광자 방출체를 나노광학파이프에 스케일업 가능한 방법으로 통합하는 것.
• CVD로 성장시킨 SiV-NDs를 자유경량 광학 나노섬유(ONF)에 전이 및 통합하는 것.
• ONF 유도 모드에 결합된 SiV-NDs로부터 효율적이고 요구 시 단일 광자 방출을 달성하는 것.
• 양자 정보 응용을 위한 SiV-NDs의 발광 특성, 광자 수세기 및 강도 상관관계를 특성화하는 것.

제안 방법

• 자연스러운 실리콘을 퀀츠 기질에서 도핑원으로 사용하여 마이크로파 플라즈마 보조 화학기상증착(MPCVD)을 이용한 퀀츠 기질에 SiV-NDs 성장.
• SiV-NDs의 발광 특성 및 정밀한 위치 조절을 위해 반전 공형 매크로스코프(ICM)와 원자력현미경(AFM)을 조합한 방법.
• 접촉 모드에서 AFM 헤드를 이용한 개별 SiV-NDs의 퀀츠 기질에서의 취득 및 자유경량 ONF 표면에 침착.
• 단일 광자 행동을 검증하기 위해 발광 스펙트럼, 광자 수세기 및 이阶 강도 상관관계(g²(0)) 측정.
• 공형 핀홀과 간섭형 필터를 사용하여 SiV-NDs의 제로포논라인(ZPL) 방출을 분리하고 배경을 억제.
• 검출 효율(κONF = 25±3%, κOL = 2.2±0.4%)을 고려하여 ONF 유도 모드로의 결합 효율을 정량적으로 추정.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 CVD로 성장시킨 SiV-NDs는 AFM를 이용해 자유경량 광학 나노섬유에 성공적으로 전이되고 안정적으로 통합될 수 있는가?
• RQ2 SiV-NDs 방출이 ONF 유도 모드로의 결합 효율은 얼마이며, 자유공간 수집과 비교해 볼 때 어떻게 되는가?
• RQ3 ONF에 결합된 통합된 SiV-NDs는 단일 광자 방출 특성을 보여주는가?
• RQ4 SiV-NDs 침착 후 ONF의 광학 전송 특성은 어떻게 변화하는가? 신호 저하의 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 저자들은 AFM 헤드를 이용해 퀀츠 기질에서 자유경량 ONF로 개별 CVD 성장 SiV-NDs를 성공적으로 전이하였으며, 공형 발광 영상으로 통합 여부를 확인하였다.
• 통합된 SiV-NDs의 발광 스펙트럼은 740 nm에서 명확한 제로포논라인(ZPL)을 보이며, 좁은 스펙트럼 폭을 보여 높은 스펙트럼 순도를 확인하였다.
• ONF 유도 모드로의 SiV-NDs 방출 결합 효율은 4.1±0.8%로 측정되었으며, 이는 ONF 표면에서 110±20 nm 떨어진 다이폴 모멘트에 해당한다.
• ONF 유도 모드에서 광자 수세기는 1.176±0.120 kcps로 측정되었으며, 배경 보정된 g²(0) 값은 1.08±0.08로 단일 광자 방출을 확인하였다.
• SiV-NDs 침착 후 ONF의 광학 전송은 산산이 흩어지는 것으로 인해 82%로 감소하여 통합과 전파 손실 사이의 상충관계를 보였다.
• 결합 효율이 낮아 유도 모드 검출의 신호 대 잡음비는 자유공간 수집보다 낮은 편이지만, 더 작은 SiV-NDs를 사용하거나 ONF에 공진기 형상을 통합함으로써 향상시킬 수 있다.