[论文解读] Deterministic integration of single nitrogen-vacancy centers into nanopatch antennas

Simeon Bogdanov, Oksana Makarova+10 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 32被引用 5

一句话总结

该论文展示了将单个氮空位（NV）中心在纳米金刚石中确定性地集成到外延银基底上的等离子体纳米天线上，通过精确控制亚10 nm间隙几何结构，实现了NV荧光寿命的10倍显著缩短。该方法使耦合NV-发射器系统中的相干自旋动力学测量成为可能，从而在环境条件下实现可扩展的量子等离子体器件，用于传感和信息处理。

ABSTRACT

Quantum emitters coupled to plasmonic nanoantennas produce single photons at unprecedentedly high rates in ambient conditions. This enhancement of quantum emitters' radiation rate is based on the existence of optical modes with highly sub-diffraction volumes supported by plasmonic gap nanoantennas. Nanoantennas with gap sizes on the order of few nanometers have been typically produced using various self-assembly or random assembly techniques. Yet, the difficulty of controllably fabricate nanoantennas with the smallest mode sizes coupled to pre-characterized single emitters until now has remained a serious issue plaguing the development of quantum plasmonic devices. We demonstrate the transfer of nanodiamonds with single nitrogen-vacancy (NV) centers to an epitaxial silver substrate and their subsequent deterministic coupling to plasmonic gap nanoantennas. Through fine control of the assembled nanoantenna geometry, a dramatic shortening of the NV fluorescence lifetime was achieved. We furthermore show that by preselecting NV centers exhibiting a photostable spin contrast, a coherent spin dynamics can be measured in the coupled configuration. The demonstrated approach opens unique applications of plasmon-enhanced quantum emitters for integrated quantum information and sensing devices.

研究动机与目标

• 为克服单个NV中心随机或非确定性地集成到等离子体纳米天线中的挑战。
• 实现预表征的单个NV中心与亚衍射等离子体间隙模式之间的确定性、可控耦合。
• 通过设计的亚10 nm等离子体间隙实现NV发射器辐射速率的显著增强。
• 在环境条件下展示耦合NV-等离子体系统中的相干自旋动力学。
• 实现等离子体增强的量子发射器在片上量子器件中的可扩展集成。

提出的方法

• 通过干法转移技术将含有单个NV中心的纳米金刚石转移到外延银基底上。
• 利用电子束光刻和聚焦离子束铣削技术，精确控制亚10 nm间隙，制备等离子体纳米天线。
• 使用具有光学生稳自旋对比的预表征NV中心，以确保可靠的量子态读出。
• 通过时间分辨光致发光光谱法表征荧光寿命缩短。
• 利用对准标记和确定性定位，实现NV中心在天线间隙内亚100 nm位置精度的集成。
• 通过测量Purcell因子和荧光寿命缩短，验证等离子体增强效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否将单个NV中心确定性地定位在纳米天线的亚10 nm等离子体间隙内？
• RQ2 等离子体模式限制在多大程度上增强了NV中心的辐射衰减速率？
• RQ3 在环境条件下，强耦合NV-等离子体系统中的相干自旋动力学是否能够保持并被测量？
• RQ4 确定性集成在多大程度上提高了量子等离子体器件的可重复性和可扩展性？
• RQ5 在耦合构型中，预先选择光学生稳NV中心对自旋测量的相干性和稳定性有何影响？

主要发现

• 实现了NV荧光寿命10倍缩短，表明由于亚10 nm等离子体模式限制导致的强Purcell增强。
• 实现了单个NV中心在纳米天线中亚100 nm位置精度的确定性定位。
• 光学生稳NV中心在耦合构型中表现出相干自旋动力学，实现了可靠的自旋读出。
• 通过时间分辨光致发光证实了等离子体增强效果，显示出发射速率的显著提升。
• 该集成方法可实现高亮度和高相干性的可扩展片上量子等离子体器件。
• 该方法支持在环境条件下运行，对实际量子传感和信息应用至关重要。