[论文解读] Imaging and quantum efficiency measurement of chromium emitters in diamond

Igor Aharonovich, Stefania Castelletto+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 17, 2010

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 4

一句话总结

本研究通过发射偶极子取向成像与不同深度下的寿命测量，首次直接测定了金刚石中单个铬色心的量子效率（QE）。通过在受控深度植入Cr离子，并分析空气与体 diamond 中的衰减速率，作者确定平均QE为28% ± 4%，偶极子取向几乎垂直于金刚石表面，有利于与光子结构高效集成。

ABSTRACT

We present direct imaging of the emission pattern of individual chromium-based single photon emitters in diamond and measure their quantum efficiency. By imaging the excited state transition dipole intensity distribution in the back focal plane of high numerical aperture objective, we determined that the emission dipole is oriented nearly orthogonal to the diamond-air interface. Employing ion implantation techniques, the emitters were engineered with various proximities from the diamond-air interface. By comparing the decay rates from the single chromium emitters at different depths in the diamond crystal, an average quantum efficiency of 28% was measured.

研究动机与目标

• 直接测量金刚石中单个铬色心的量子效率（QE），这是量子光子学应用中的关键参数。
• 确定单个Cr色心相对于金刚石表面的发射偶极子取向，该取向影响光子收集效率及与光子器件的集成。
• 利用离子注入技术，从金刚石-空气界面控制发射器深度，调节其辐射环境。
• 通过比较体 diamond 与表面附近的寿命测量，验证偶极子取向与QE。
• 为一种有前景的单光子源平台提供QE基准，以优化基于金刚石的量子器件。

提出的方法

• 通过高数值孔径物镜后焦平面中的强度分布分析，成像单个Cr发射器的发射模式，以确定偶极子取向。
• 使用50 keV（浅层，约25 nm深度）和6 MeV（深层，约1.5 µm深度）的离子注入，在金刚石-空气界面附近可控距离处生成发射器。
• 测量靠近表面的单个发射器（1.24 ± 0.13 ns）与晶体深处的发射器（0.92 ± 0.09 ns）的激发态寿命，以提取辐射增强因子β。
• 应用公式QE = k_rad / (k_rad + k_nr)，其中k_rad为均匀介质中的辐射衰减速率，k_nr为非辐射速率，由β和寿命数据推断得出。
• 使用SRIM模拟建模离子注入分布，确保射程末端分布不重叠，以实现精确的深度控制。
• 结合偶极子成像与寿命测量，解耦辐射与非辐射衰变路径，独立计算QE，无需依赖先前假设。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个铬色心在金刚石中的本征量子效率是多少？其随发射器深度如何变化？
• RQ2 单个Cr色心的发射偶极子相对于金刚石表面的取向如何？该取向是否影响光子收集效率？
• RQ3 是否可以不依赖间接或理论估算，直接测量单个发射器的量子效率？
• RQ4 金刚石-空气界面附近的介电环境如何改变Cr色心的辐射衰变速率？
• RQ5 是否可利用离子注入技术调控发射器与表面的距离，以实现QE的受控测量？

主要发现

• 后焦平面成像证实，金刚石中铬色心的发射偶极子取向几乎垂直于金刚石-空气界面。
• 在体 diamond 中，铬发射器的平均量子效率为28% ± 4%，该结果基于所有发射波长的色心集合测量，与峰值发射波长无关。
• 对于单个发射器，分别在750 nm和753 nm波长下测得QE为0.42 ± 0.06和0.29 ± 0.05。
• 与晶体深处相比，靠近表面的发射器激发态寿命缩短（1.24 ± 0.13 ns vs. 0.92 ± 0.09 ns），证实介电环境对辐射衰变的影响。
• 近乎正交的偶极子取向有利于与光子腔和纳米天线集成，克服了NV色心中常见的随机取向问题。
• 非辐射衰减速率（769 MHz）高于系间窜越速率（5.1 MHz），表明非辐射过程（如声子耦合或电离）对QE损失有显著贡献。