[논문 리뷰] Robust Ultraviolet to Near-infrared Quantum Emitters in Hexagonal Boron Nitride up to 1100 K

Qinghai Tan, Jia‐Min Lai외 7명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 19.

Diamond and Carbon-based Materials Research참고 문헌 41인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 조절된 레이저 조명을 통해 산화질소화합물(357 nm)에서 가까운 적외선(912 nm)에 이르기까지 광도가 높고 안정된 단일 광자 발광체를 갖는 헥사곤형 붕소 nitride(hBN)에서의 강력한 발광체를 입증한다. 이 발광체는 1100 K까지 높은 안정성과 단일 광자 순도를 유지하며, 500 K 이상에서 광자와 비음향 격자 진동 간의 분리가 관찰되어 hBN이 고온, 넓은 대역폭의 양자 광원에 있어 유망한 기초 물질임을 입증한다.

ABSTRACT

A stable single-photon source working at high temperatures with high brightness and covering full band emission from one host material is critically important for quantum technologies. Here, we find that the certain hBN single-photon emissions (SPEs) can be significantly enhanced by lasers with special wavelengths, which largely broaden the wavelength range of the hBN emitters, down to ultraviolet (357 nm) and up to near-infrared (912 nm). Importantly, these hBN SPEs are still stable even at the temperature up to 1100 Kelvin. The decoupling between single-photon and acoustic phonon is observed at high temperatures. Our work suggests that hBN can be a good host material for generating single-photon sources with ultrabroad wavelength range.

연구 동기 및 목표

• 전체 자외선에서 가까운 적외선 스펙트럼에 걸쳐 높은 광도와 안정성을 갖춘 단일 광자 발광체를 방출할 수 있는 단일 기초 물질을 개발하는 것.
• 실용적인 양자 응용을 위한 고체상 단일 광자 발광체에서 고온 안정성을 확보하는 데 도전하는 것.
• hBN 결함의 발광 스펙트럼을 가시광선 범위를 초월해 자외선 및 가까운 적외선 영역으로 연장하는 데 있어 레이저 조명 파장의 역할을 탐색하는 것.
• 1100 K까지의 고온에서 hBN 단일 광자 발광체의 열적 안정성과 격자 진동 결합 동역학을 조사하는 것.
• hBN가 확장 가능하고 넓은 대역폭, 고온 안정성의 양자 발광체를 위한 실현 가능한 기초 물질이 될 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 레이저 반사도를 억제하고 격자 모드를 매핑하기 위해 532 nm 조명과 삼중 체적 브라그 격자 필터(532 nm)를 사용한 공형 라만 스펙트로스코피.
• 액체 질소 냉각된 CCD 검출기와 2400선 mm⁻¹ 격자를 사용한 저온 광발광(PL) 측정을 통해 고분해능 스펙트럼 해상도(~40 µeV) 확보.
• 실리콘 앤티리언 포토다이오드를 사용한 자체 제작 한버리-브라운-트위스(HBT) 장치를 통한 2차 상관 함수(g²⁽¹⁾) 측정을 통해 단일 광자 방출을 확인.
• 300 K에서 1100 K까지의 온도 의존성 PL 및 라만 측정을 통해 열적 안정성과 격자 진동 결합 특성 평가.
• 라우어시안 및 가우시안 함수를 사용한 PL 피크의 스펙트럼 피팅을 통해 영점 격자 진동선(ZPL)과 격자 진동 측면대(PSB)를 추출하고, 반폭 및 디바이-월러 인자 계산.
• 공간 해상도가 높은 100x 및 50x 목표 렌즈(N.A. = 0.9 및 N.A. = 0.5)를 사용한 광학적 특성 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 특정 파장의 레이저 조명을 통해 hBN 단일 광자 발광체의 발광 스펙트럼을 가시광선 영역을 초월해 자외선 및 가까운 적외선 영역으로 연장시킬 수 있는가?
• RQ2 hBN 단일 광자 발광체는 얼마나 높은 온도까지 빛나고 안정성을 유지할 수 있으며, 최대 1100 K까지의 성능은 어떠한가?
• RQ3 방출된 광자와 비음향 격자 진동 간의 결합은 온도가 상승함에 따라 어떻게 변화하며, 어느 온도에서 분리가 발생하는가?
• RQ4 결함 공학과 조명 파장이 단일 hBN 기초 물질에서 넓은 대역폭 발광을 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 hBN는 고광도, 넓은 대역폭, 고온 안정성의 단일 광자 소스를 위한 실현 가능한 기초 물질이 될 수 있는가?

주요 결과

• 특정 레이저 파장을 조절함으로써 hBN 단일 광자 발광체는 357 nm(자외선)에서 912 nm(가까운 적외선)까지 넓은 대역폭의 발광을 나타낸다.
• 이 발광체는 1100 K까지도 높은 안정성과 광도를 유지하며, 광발광 강도나 단일 광자 성질에 유의미한 열화가 관찰되지 않는다.
• 500 K 이상의 온도에서 방출된 광자와 비음향 격자 진동 간의 분리가 명확히 관찰되며, 이는 격자 진동 측면대 강도 감소와 ZPL 반폭의 좁아짐으로서 확인된다.
• 실온에서 디바이-월러 인자가 약 ~0.65로 유지되어 ZPL 기여가 높고 스펙트럼 순도가 높음을 나타낸다.
• 2차 상관 함수 g²⁽¹⁾(0) < 0.5는 고온에서도 진정한 단일 광자 방출의 존재를 확인한다.
• 공간 해상도가 높은 PL 및 라만 맵핑 측정을 통해 hBN 시료의 균일성과 발광체의 국소적 특성을 입증한다.