[论文解读] A Bright Single Photon Source Based on a Diamond Nanowire

Thomas M. Babinec, Birgit Hausmann+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2009

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 2

一句话总结

本文提出了一种基于金刚石纳米线中氮空位（NV）中心的明亮、室温单光子源，其光子收集效率相比体材料金刚石提升了整整一个数量级，实现了低功耗运行下的高性能量子通信与传感应用。

ABSTRACT

The development of a robust light source that emits one photon at a time is an outstanding challenge in quantum science and technology. Here, at the transition from many to single photon optical communication systems, fully quantum mechanical effects may be utilized to achieve new capabilities, most notably perfectly secure communication via quantum cryptography. Practical implementations place stringent requirements on the device properties, including stable photon generation, room temperature operation, and efficient extraction of many photons. Single photon light emitting devices based on fluorescent dye molecules, quantum dots, and carbon nanotube material systems have all been explored, but none have simultaneously demonstrated all criteria. Here, we describe the design, fabrication, and characterization of a bright source of single photons consisting of an individual Nitrogen-vacancy color center (NV center) in a diamond nanowire operating in ambient conditions. The nanowire plays a positive role in increasing the number of single photons collected from the NV center by an order of magnitude over devices based on bulk diamond crystals, and allows operation at an order of magnitude lower power levels. This result enables a new class of nanostructured diamond devices for room temperature photonic and quantum information processing applications, and will also impact fields as diverse as biological and chemical sensing, opto-mechanics, and scanning-probe microscopy.

研究动机与目标

• 开发一种适用于实际量子技术应用的稳健、室温单光子源。
• 克服现有单光子发射器在光子收集效率和功耗方面的局限性。
• 利用纳米尺度金刚石结构增强NV中心的光提取效率。
• 实现可扩展、高性能的器件，用于量子信息处理与传感应用。

提出的方法

• 将单个氮空位（NV）中心集成到金刚石纳米线中，以增强光子提取效率。
• 采用纳米加工技术制造具有受控几何形状的结构化金刚石平台。
• 优化纳米线尺寸以最大化光子收集的立体角。
• 在环境条件下运行设备，无需低温冷却。
• 通过光子相关测量表征单光子发射特性。
• 比较纳米线与体材料金刚石器件的光子收集效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 金刚石纳米线结构是否能显著提升来自NV中心的单光子收集效率？
• RQ2 此类器件是否能在室温下高效运行且功耗极低？
• RQ3 纳米线几何结构是否能实现适用于量子应用的实用化、可扩展单光子源？
• RQ4 纳米线中的光子收集速率与体材料金刚石相比如何？

主要发现

• 与体材料金刚石晶体相比，金刚石纳米线器件的单光子收集效率提高了整整一个数量级。
• 该源可在室温下稳定工作，无需低温冷却。
• 光子生成效率在功耗降低一个数量级的水平下实现，优于传统系统。
• 在环境条件下，纳米线中的NV中心仍保持高保真度的单光子发射。
• 该器件为光子学与量子信息处理领域开启了新型纳米结构金刚石器件的新类别。
• 性能的提升支持在量子密码学、生物传感和扫描探针显微术等领域的应用。