[论文解读] Integration of silicon-vacancy centers in nanodiamonds with an optical nanofiber

Ramachandrarao Yalla, Y. Kojima+6 more|arXiv (Cornell University)|May 3, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 27被引用 12

一句话总结

本研究首次通过原子力显微镜（AFM）探针实现了氮化硅色心纳米 diamond（SiV-NDs）与自由悬挂光学纳米纤维（ONF）的实验集成。通过使用微波等离子体辅助化学气相沉积法（MPCVD）在石英上外延生长SiV-NDs，并将其转移至ONF，作者实现了4.1±0.8%的导模耦合效率，从而在室温下实现高效的单光子发射，适用于量子光子学应用。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate the integration of silicon-vacancy centers in nanodiamonds (SiV-NDs) with an optical nanofiber (ONF). We grow SiV-NDs on seed NDs dispersed on a quartz substrate using a microwave plasma-assisted chemical vapor deposition method. First, we search and characterize SiV-NDs on a quartz substrate using an inverted confocal microscope and an atomic force microscope (AFM). Subsequently, we pick up SiV-NDs from the quartz substrate and deposit them on the surface of a free-standing ONF using the AFM tip. The fluorescence emission spectrum, photon count rate, and intensity correlations for SiV-NDs are systematically measured.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的方法，将高质量单光子发射体与纳米光子波导集成。
• 展示通过化学气相沉积法（CVD）生长的SiV-NDs在自由悬挂光学纳米纤维（ONF）上的转移与集成。
• 实现SiV-NDs与ONF导模耦合后的高效、按需单光子发射。
• 表征SiV-NDs在ONF上的荧光特性、光子计数率及强度关联性，以支持量子信息应用。

提出的方法

• 利用微波等离子体辅助化学气相沉积法（MPCVD），以石英基底中的天然硅作为掺杂源，在石英基底上外延生长SiV-NDs。
• 结合倒置共聚焦显微镜（ICM）与原子力显微镜（AFM），对SiV-NDs进行荧光表征并实现精确定位。
• 采用AFM探针在接触模式下从石英基底上拾取并沉积单个SiV-NDs至自由悬挂ONF表面。
• 测量荧光发射光谱、光子计数率及二阶强度关联函数（g²(0)），以验证单光子行为。
• 利用共聚焦针孔与干涉滤光片分离SiV-NDs的零声子线（ZPL）发射，抑制背景噪声。
• 通过比较ONF导模与自由空间辐射模式下的光子计数率，结合探测效率（κONF = 25±3%，κOL = 2.2±0.4%），定量估算进入ONF导模的耦合效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过AFM成功转移并稳定集成CVD生长的SiV-NDs于自由悬挂光学纳米纤维？
• RQ2 SiV-ND发射光耦合至ONF导模的效率是多少？与自由空间收集相比如何？
• RQ3 集成后的SiV-NDs在与ONF耦合时是否表现出单光子发射特性？
• RQ4 SiV-NDs沉积后，ONF的光学透过率如何变化？信号退化的主要原因是什么？

主要发现

• 作者成功利用AFM探针将单个CVD生长的SiV-NDs从石英基底转移至自由悬挂ONF上，通过共聚焦荧光成像确认了集成成功。
• 集成SiV-NDs的荧光发射光谱在740 nm处显示出清晰的零声子线（ZPL），且线宽狭窄，证实其具有高光谱纯度。
• 测得SiV-ND发射光耦合至ONF导模的效率为4.1±0.8%，对应偶极子距离ONF表面110±20 nm。
• 在ONF导模中测得光子计数率为1.176±0.120 kcps，背景校正后的g²(0)值为1.08±0.08，证实其具有单光子发射特性。
• SiV-NDs沉积后，ONF的光学透过率下降至82%，主要由于散射引起，表明集成与传播损耗之间存在权衡。
• 由于耦合效率较低，导模探测的信噪比低于自由空间收集，可通过使用更小的SiV-NDs或在ONF上集成谐振腔结构来改善。