[論文レビュー] Scaling laws of the cavity enhancement for NV centers in diamond

Hanno Kaupp, Christian Deutsch+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2013

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 2

ひとこと要約

本研究では、高ファイネスなファイバー駆動型マイクロキャビティを用いて、ナノダイヤモンド内の窒素・ボイド（NV）中心におけるパーセル効果のスケーリング則を実証した。キャビティのモード体積と品質因子を調整することで、発光スペクトル密度が最大300倍に増幅され、波長可変で帯域幅が狭い単一光子源の実現が可能となり、強結合領域への道筋が開かれた。

ABSTRACT

We employ a fiber-based optical microcavity with high finesse to study the enhancement of phonon sideband fluorescence of nitrogen-vacancy centers in nanodiamonds. Harnessing the full tunability and open access of the resonator, we explicitly demonstrate the scaling laws of the Purcell enhancement by varying both the mode volume and the quality factor over a large range. While changes in the emission lifetime remain small in the regime of a broadband emitter, we observe an increase of the emission spectral density by up to a factor of 300. This gives a direct measure of the Purcell factor that could be achieved with this resonator and an emitter whose linewidth is narrower than the cavity linewidth. Our results show a method for the realization of wavelength-tunable narrow-band single-photon sources and demonstrate a system that has the potential to reach the strong-coupling regime.

研究の動機と目的

• キャビティの品質因子とモード体積を独立に変化させることで、ナノダイヤモンド内のNV中心におけるパーセル効果のスケーリングを調査すること。
• 可変光学マイクロキャビティ内で、帯域幅が狭い発光体に対して達成可能な最大パーセル因子を特定すること。
• ナノダイヤモンド内のNV中心を用いて、波長可変で帯域幅が狭い単一光子源の設計を可能とすること。
• キャビティ量子電磁力学における強結合領域への到達可能性を検討すること。

提案手法

• 高ファイネスなファイバー駆動型光学マイクロキャビティを用い、キャビティパラメータを精密に制御した。
• 可変キャビティパラメータを用いて、品質因子（Q）とモード体積（V）を系統的に変化させ、Q/Vスケーリング領域の探索を可能にした。
• ナノダイヤモンド内のNV中心のフォノンサイドバンド蛍光を測定し、パーセル効果の増幅を評価した。
• キャビティの調整に応じた発光スペクトル密度の変化を解析し、有効なパーセル因子を抽出した。
• オープンアクセスで完全に可変可能なレゾネータの特性を活用し、広範なキャビティパラメータ範囲にアクセスした。
• 観測された増幅を理論的パーセル因子スケーリング則 F_P ∝ Q/V と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ナノダイヤモンド内のNV中心に対して、キャビティの品質因子とモード体積の変化に伴い、パーセル効果はどのようにスケーリングするか？
• RQ2 可変マイクロキャビティ内でのNV中心蛍光に対して、達成可能な最大スペクトル密度増幅は何か？
• RQ3 観測された増幅を用いて、波長可変で帯域幅が狭い単一光子源を実現できるか？
• RQ4 この系は、キャビティ量子電磁力学における強結合領域に到達する可能性を秘めているか？

主な発見

• マイクロキャビティ内でのパーセル効果により、NV中心の発光スペクトル密度が最大300倍に増幅された。
• 観測された増幅は理論的Q/V依存性に従い、パーセル因子スケーリング則の妥当性が確認された。
• 広帯域発光体では発光寿命にわずかな変化しか見られないが、スペクトル密度の増幅は顕著であり、強い場の閉じ込めが示唆された。
• このシステムはキャビティ共鳴の完全な可変性を備えており、NV中心発光の波長選択的増幅が可能となった。
• 帯域幅がキャビティ帯域幅より狭い発光体に対して、達成可能な最大パーセル因子の直接測定が可能となった。
• 最適化された発光体とキャビティパラメータを用いることで、強結合領域への到達可能性が顕著に示された。