[论文解读] Coupling of deterministically activated quantum emitters in hexagonal boron nitride to plasmonic surface lattice resonances

Nicholas V. Proscia, Collison, Robert J.+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Photonic and Optical Devices参考文献 76被引用 236

一句话总结

本研究展示了在六方氮化硼（hBN）中，室温下单光子发射体与银纳米柱阵列中表面等离子体晶格共振（SLRs）的可扩展、确定性耦合。通过纳米柱图案化调控基底应变，hBN色心被激活并与扩展的SLR模式强耦合，从而实现增强、定向且光谱特性改变的发射——为具有可调发射控制能力的片上量子光子学应用铺平道路。

ABSTRACT

Cooperative phenomena stemming from radiation-field-mediated coupling between individual quantum emitters are presently attracting broad interest for on-chip photonic quantum memories and long-range entanglement. Common to these applications is the generation of electromagnetic modes over macroscopic distances. Much research, however, is still needed before such systems can be deployed in the form of practical devices, starting with the investigation of alternate physical platforms. Quantum emitters in two-dimensional (2D) systems provide an intriguing route because these materials can be adapted to arbitrarily shaped substrates to form hybrid systems where emitters are near-field-coupled to suitable optical modes. Here, we report a scalable coupling method allowing color center ensembles in a van der Waals material - hexagonal boron nitride - to couple to a delocalized high quality plasmonic surface lattice resonance. This type of architecture is promising for photonic applications, especially given the ability of the hexagonal boron nitride emitters to operate as single-photon sources at room temperature.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，以确定性方式将 hBN 色心发射体与光子模式耦合。
• 通过扩展的等离子体表面晶格共振（SLRs）实现长程发射体相互作用。
• 利用二维范德华异质结构，实现对室温单光子源的定向且光谱特性改变的发射。
• 展示基于缺陷的发射体与等离子体纳米结构的集成，以实现片上量子光子学。

提出的方法

• 通过电子束光刻法制造周期性银纳米柱阵列，其周期（220–2000 nm）和直径（50–400 nm）可调。
• 通过湿法转移将20 nm厚的化学气相沉积生长的hBN纳米片转移到银阵列上，形成范德华异质结构。
• 利用基底工程（纳米柱诱导的应变）将hBN色心确定性地激活为明亮的辐射态。
• 通过角度分辨光致发光（PL）和共聚焦显微镜测量，绘制发射的方向性和光谱响应。
• 测量时间分辨PL和二阶相关函数（g(2)(0)），以确认单光子发射特性及发射体动力学。
• 沉积10 nm厚的Al2O3盖层以防止淬灭并保持等离子体模式的完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在可扩展的图案化几何结构中，通过基底应变实现hBN色心的确定性激活？
• RQ2 与等离子体表面晶格共振（SLRs）耦合如何改变hBN发射的方向性和光谱分布？
• RQ3 SLR模式在多大程度上能增强并引导二维材料中室温单光子发射体的发射？
• RQ4 集体SLR模式能否在空间分离的独立hBN发射体之间介导长程相互作用？
• RQ5 发射体密度和空间定位在所观测到的耦合效率和发射特性中起什么作用？

主要发现

• 345 nm周期、150 nm直径的银纳米柱阵列表现出最高的发射对比度，证实与SLR模式的强耦合。
• hBN发射变得高度定向，其方向性与高角度下的SLR色散相匹配，且在深红区域的发射强度显著增强。
• 角度分辨PL显示，2000 nm周期阵列无色散（因无法支持SLR），确认观测到的效应源于SLR诱导的光谱与角度调制。
• 共聚焦成像显示，hBN区域的发射占主导，而纳米柱区域及撕裂或非结构化区域的发射强度显著降低。
• 时间分辨PL显示发射体在秒 timescale 上呈现间歇性闪烁，多个发射体在明亮与暗态之间交替。
• g(2)(0) = 0.54 ± 0.04 确认了孤立发射体的单光子发射特性，且在100 nm直径的柱中，贡献信号的发射体不超过2个。