[论文解读] Optically coherent nitrogen-vacancy defect centers in diamond nanostructures

Laura Orphal‐Kobin, Kilian Unterguggenberger+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 9

一句话总结

该论文展示了在金刚石纳米柱中通过材料与制造工艺优化降低电噪声，实现了光学相干氮-vacancy (NV) 缺陷中心的寿命限制线宽（14 MHz）和长期光谱稳定性（3分钟内不均匀线宽为150 MHz）。作者提出一种高速率纠缠协议，通过结合光谱重对准与动态控制，缓解光谱扩散，实现高达450 kHz的纠缠生成速率。

ABSTRACT

Optically active solid-state spin defects have the potential to become a versatile resource for quantum information processing applications. Nitrogen-vacancy defect centers (NV) in diamond act as quantum memories and can be interfaced by coherent photons as demonstrated in entanglement protocols. However, in particular in diamond nanostructures, the effect of spectral diffusion leads to optical decoherence hindering entanglement generation. In this work, we present strategies to significantly reduce the electric noise in diamond nanostructures. We demonstrate single NVs in nanopillars exhibiting lifetime-limited linewidth on the time scale of one second and long-term spectral stability with inhomogeneous linewidth as low as 150 MHz over three minutes. Excitation power and energy-dependent measurements in combination with nanoscopic Monte Carlo simulations contribute to a better understanding of the impact of bulk and surface defects on the NV's spectral properties. Finally, we propose an entanglement protocol for nanostructure-coupled NVs providing entanglement generation rates up to hundreds of kHz.

研究动机与目标

• 为解决金刚石纳米结构中因光谱扩散导致的NV中心光学相干性退化问题，该问题限制了量子应用的发展。
• 通过减少体相与表面缺陷引起的电噪声，实现纳米柱中NV中心的长期光谱稳定性和窄线宽。
• 通过缓解退相干效应，结合动态光谱控制，开发一种可扩展的、高速率的纳米结构耦合NV纠缠协议。
• 通过模拟与实验测量，理解激发功率与缺陷分布对NV光谱特性的影响。

提出的方法

• 采用电子束光刻与干法刻蚀工艺制备金刚石纳米柱，并通过受控的表面终止处理以最小化表面缺陷。
• 利用可变激发功率与扫描速度的光致发光激发（PLE）光谱测量线宽，并提取功率展宽参数。
• 采用显微尺度蒙特卡罗模拟，建模来自电荷陷阱的波动电场，预测由光谱扩散引起的线宽展宽。
• 实施三阶段纠缠协议：NV初始化、以500 kHz重复频率基于共振π脉冲的纠缠生成，以及通过PLE扫描实现的光谱重对准。
• 使用525 nm初始化脉冲与直流电压调谐，在离子化事件后稳定NV跃迁频率。
• 应用随机扩散模型模拟电荷动力学，并将缺陷密度与光谱不稳定性相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 表面缺陷与体相缺陷对金刚石纳米柱中NV中心光学相干性有何影响？
• RQ2 能否充分降低金刚石纳米结构中的电噪声，以实现寿命限制的线宽？
• RQ3 激发功率如何影响单个NV中心的观测线宽与光谱稳定性？
• RQ4 当主动控制光谱扩散时，纳米结构NV系统中可实现的最大纠缠生成速率是多少？
• RQ5 光谱重对准协议能否在离子化引起的光谱跃迁后恢复相干性？

主要发现

• 在纳米柱中，单个NV中心实现了14 MHz的寿命限制线宽，且不均匀线宽保持在150 MHz的窄线宽水平，持续时间达三分钟。
• 实测线宽与蒙特卡罗模拟预测结果一致，预测的自然线宽为16.2 ± 1.8 MHz，饱和功率为5.4 ± 2.2 nW。
• 激发功率依赖性测量显示，功率展宽行为符合γ = γ₀√(1 + P/P_sat)关系，其中P_sat ≈ 5.4 nW。
• 通过PLE扫描（扫描速度6 GHz/s）实现的光谱重对准估计耗时5 ms，可在光谱跃迁后实现快速恢复。
• 所提出的纠缠协议支持高达450 kHz的纠缠生成速率，该速率仅受技术因素限制，而非基本物理原理。
• 天然氮形成的NV中心相比离子注入NV中心表现出更优的相干性，表明晶格损伤更小、缺陷密度更低。