[論文レビュー] Three megahertz photon collection rate from an NV center with millisecond spin coherence

Luozhou Li, Edward H. Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2014

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 42被引用数 87

ひとこと要約

本論文では、窒素・ボイド（NV）中心からの光子収率を向上させる円形の「アキレス」ダイヤモンドグレーティングを提案する。このグレーティングにより、3.0 ± 0.1)×10⁶カウント/秒の記録的効率が達成され、ミリ秒スケールのスピンコherenveも維持された。グレーティングは薄いダイヤモンド膜上にナノファブリケーションで作製され、発光を低数値孔径モードに再配分することで、高効率かつオンチップ互換性を持つ量子デバイスを実現し、センシングおよび量子情報分野への応用が可能である。

ABSTRACT

Efficient collection of the broadband fluorescence of the diamond nitrogen vacancy center is essential for a range of applications in sensing, on-demand single photon generation, and quantum information processing. Here, we introduce a circular `bullseye' diamond grating enabling a collected photon rate of $(3.0\pm0.1) imes10^6$ counts per second from a single nitrogen-vacancy center with a spin coherence time of 1.7$\pm$0.1 ms. Back-focal-plane studies indicate efficient redistribution into low-NA modes.

研究の動機と目的

• ダイヤモンドの高い屈折率による全内反射に起因する光子収率の低さという制限を克服すること。
• 広帯域の光励起発光収率を向上させる平面的かつオンチップ互換性を持つナノ構造を開発すること。
• 量子情報応用のためのナノファブリケーション工程において、NV中心の固有のスピンコherenveを維持すること。
• スピン光子もつれや単一光子源の応用を想定し、広帯域および狭帯域発光（例：ゼロフォノンライン）の両方を効率よく収率すること。
• NV中心と光子的および電子的コンポONENTを1チップ上に統合可能なスケーラブルなプラットフォームを実証すること。

提案手法

• 反応性イオンエッチングと単結晶シリコンハードマスクを用いて、300 nm 厚のダイヤモンド膜に同心円状のスリットをエッチングして円形アキレスグレーティングをプロトタイピングした。
• 680 nm 発光に対して2次ブラッグ条件を満たすようにグレーティング周期（a = 330 nm）を設計し、垂直方向にconstructive 干渉を実現した。
• 遠方場発光パターンを分析するためにバックフォーカルプレーン（BFP）イメージングを用い、低NAモードへの効率的結合を確認した。
• 1.3 NA オイル・オブジェクティブを用いた共焦点顕微鏡を用いて光学励起および光子収率を実施し、単一NV中心の高感度検出を可能にした。
• スピン共鳴測定（ODMR、ラムゼイ、ハーンエコー、CPMG）を実施し、スピンコherenve時間およびハイパーフィンの結合定数を特徴づけた。
• FDTD法（Lumerical）を用いたシミュレーションにより、収率およびモード分布の予測を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 平面的で円形のアキレスグレーティングをダイヤモンドに適用することで、広帯域NV光励起発光の収率を顕著に向上させられ、スピンコherenveの劣化を引き起こさないか？
• RQ2 このグレーティング構造を用いることで、1つのNV中心からの最大光子収率レートはどの程度達成可能か？
• RQ3 ナノファブリケーションプロセスが、ダイヤモンド中のNV中心のスピンコherenve時間にどのように影響を与えるか？
• RQ4 アキレス幾何学的形状が、スピン光子もつれの応用に適した狭帯域（ゼロフォノン）発光の効率的収率をどの程度サポートするか？
• RQ5 このグレーティング構造をマイクロ波制御ラインやその他の光子コンポONENTと統合し、スケーラブルな量子デバイスを実現可能か？

主な発見

• アキレスグレーティングは、1つのNV中心からの記録的光子収率レート (3.0 ± 0.1)×10⁶カウント/秒を達成し、バルクダイヤモンド中の類似NV中心と比較して10倍の改善を示した。
• 常温下でもNV中心のスピンコherenve時間は 1.7 ± 0.1 ms を維持しており、バルクダイヤモンド中のNV中心で報告された最高値と同等の値であった。
• バックフォーカルプレーンイメージングにより、グレーティングが発光を低数値孔径モードに効率的に再分配していることが確認され、収率向上が裏付けられた。
• FDTDシミュレーションでは、NVがアキレスの中心に位置する場合、最大30％の収率効率が得られ、NVがダイヤモンド-空気界面から10 nm以内に位置する場合でも50％以上の効率が得られた。
• 狭帯域応用（Δλ/λ < 0.03）において、NA = 1.5 の数値孔径内に全デュープル発光の90％を収率可能に最適化できる。
• CPMGシーケンスにより、スピンコherenve時間を 1.7 ± 0.1 ms まで延長でき、ナノファブリケーション工程がNV中心の高精度なスピン性質を保持していることが確認された。