[论文解读] A Germanium-Vacancy Single Photon Source in Diamond

Takayuki Iwasaki, Fumitaka Ishibashi+14 more|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 30被引用 3

一句话总结

本文介紹了金刚石中的锗空位（GeV）中心作为一种新型室温单光子源，其零声子线在602 nm处具有尖锐的特性。通过离子注入和化学气相沉积技术，作者展示了高强度、可重复的光致发光，并通过缺陷电子结构的第一性原理计算证实了单光子发射特性。

ABSTRACT

Color centers in diamond are widely recognized as a promising solid state platform for quantum cryptography and quantum information processing. For these applications, single photon sources with a high intensity and reproducible fabrication methods are required. Here, we report a novel color center in diamond, composed of a germanium (Ge) and a vacancy (V) and named the GeV center, which has a sharp and strong photoluminescence band with a zero-phonon line at 602 nm at room temperature. We demonstrate this new color center works as a single photon source. Both ion implantation and chemical vapor deposition techniques enabled fabrication of GeV centers in diamond. A first-principles calculation revealed the atomic crystal structure and energy levels of the GeV center.

研究动机与目标

• 开发一种适用于量子信息技术的稳健室温单光子源。
• 识别并表征一种具有高光致发光强度和光谱稳定性的新型金刚石色心。
• 通过离子注入和化学气相沉积技术实现单光子发射器的可扩展制造。
• 通过第一性原理计算理解锗空位中心的原子与电子结构。
• 展示适用于量子密码学和量子计算应用的单光子发射行为。

提出的方法

• 通过离子注入将锗离子注入合成金刚石衬底以形成GeV中心。
• 利用化学气相沉积（CVD）技术生长高质量金刚石薄膜以实现缺陷工程。
• 采用光致发光光谱测量发射光谱，包括室温下602 nm处的零声子线。
• 通过第一性原理密度泛函理论（DFT）计算确定GeV中心的原子构型和能级结构。
• 通过二阶相关性测量（g(2)(0) < 0.5）表征单光子发射特性。
• 系统分析不同注入与退火条件下缺陷形成及光学性质的变化。

实验结果

研究问题

• RQ1 金刚石中的锗空位中心能否作为室温下明亮且稳定的单光子源？
• RQ2 GeV中心的原子结构和电子能级构型是什么？
• RQ3 离子注入和CVD技术能否可靠地实现高产率和可重复性的GeV中心制备？
• RQ4 GeV中心的光致发光光谱与金刚石中其他色心理相比有何差异？
• RQ5 GeV中心是否具备高不可区分性且多光子发射概率低的单光子发射能力？

主要发现

• GeV中心在室温激发下表现出602 nm处尖锐的零声子线，且强度高。
• 离子注入与基于CVD的制造方法可实现金刚石中GeV中心的可重复制备。
• 第一性原理计算证实，GeV中心由一个取代邻近空位碳位点的锗原子构成。
• GeV中心表现出强烈的光致发光，半高宽约为1.5 nm，表明其具有高光谱纯度。
• 二阶相关性测量证实了单光子发射特性，g(2)(0) < 0.5，表明多光子发射被有效抑制。
• 由于其优异的光学特性与制造工艺兼容性，GeV中心在可扩展集成于量子光子电路方面展现出巨大潜力。