[论文解读] Coherent optical emitters in diamond nanostructures via ion implantation

Ruffin E. Evans, Alp Sipahigil+3 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2015

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种在金刚石纳米结构中制备高质量、相干光学发射器的方法，通过将硅离子注入合成金刚石，实现了接近寿命极限的光学线宽以及过渡频率的窄分布。该技术在纳米加工后仍能保持这些优异的光学特性，使其能够集成到用于量子技术的纳米光子器件中。

ABSTRACT

The negatively-charged silicon-vacancy ($\mathrm{SiV}^{-}$) center in diamond is a bright source of indistinguishable single photons and a useful resource in quantum information protocols. Until now, $\mathrm{SiV}^{-}$ centers with narrow optical linewidths and small inhomogeneous distributions of $\mathrm{SiV}^{-}$ transition frequencies have only been reported in samples doped with silicon during diamond growth. We present a technique for producing implanted $\mathrm{SiV}^{-}$ centers with nearly lifetime-limited optical linewidths and a small inhomogeneous distribution. These properties persist after nanofabrication, paving the way for incorporation of high-quality $\mathrm{SiV}^{-}$ centers into nanophotonic devices.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，在金刚石中制备高质量单光子发射器，超越传统的基于生长的掺杂方法。
• 克服植入SiV⁻中心中非均匀展宽和宽光学线宽的局限性。
• 在保持光学质量的前提下，实现相干SiV⁻发射器与纳米光子器件的集成。

提出的方法

• 在合成金刚石衬底中进行硅离子注入，以在生长后形成SiV⁻中心。
• 注入后退火处理，以修复晶体损伤并激活SiV⁻中心。
• 采用低能注入以最小化晶格损伤，并提高缺陷形成控制。
• 利用共聚焦显微镜和光谱分析进行光学表征，测量线宽和非均匀分布。
• 在注入后对金刚石结构进行纳米加工，以评估光学特性的保持情况。
• 比较纳米加工前后光学特性的差异，以评估稳定性和相干性。

实验结果

研究问题

• RQ1 离子注入能否在金刚石中产生光学线宽接近基本寿命极限的SiV⁻中心？
• RQ2 在离子注入和纳米加工后，SiV⁻跃迁频率的非均匀分布是否仍保持狭窄？
• RQ3 植入的SiV⁻中心的光学质量在纳米光子器件制造过程中是否得以保持？
• RQ4 在纳米尺度金刚石结构中，是否可行实现高保真度的单光子发射？
• RQ5 与在金刚石生长过程中形成的SiV⁻中心相比，植入SiV⁻中心的相干性如何？

主要发现

• 植入的SiV⁻中心表现出接近寿命极限的光学线宽，表明其具有高相干性和低退相干速率。
• SiV⁻跃迁频率的非均匀分布显著变窄，有利于高效集合地址。
• SiV⁻中心的光学特性在纳米加工后得以保持，证实其与纳米光子集成的兼容性。
• 该方法无需在晶体生长过程中进行原位掺杂，即可在金刚石中创建高质量单光子发射器。
• 结果表明，该方法为将相干SiV⁻发射器集成到光子电路中用于量子信息应用提供了可扩展的路径。