[论文解读] Polarization properties of single photons emitted by nitrogen-vacancy defect in diamond at low temperature

Florian Kaiser, V. Jacques+4 more|ArXiv.org|Jun 18, 2009

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 1被引用 11

一句话总结

本研究通过共振激发，研究了在低温下金刚石中氮空位（NV）中心发射的单光子的偏振特性。结果表明，由于快速的热浴诱导的激发态轨道分支间弛豫，光致发光部分未偏振，这限制了光子的不可区分性，除非应用偏振滤波。

ABSTRACT

In this report, the polarization properties of the photoluminescence emitted by single nitrogen-vacancy (NV) color centers in diamond are investigated using resonant excitation at cryogenic temperature. We first underline that the two excited-state orbital branches are associated with two orthogonal transition dipoles. Using selective excitation of one dipole, we then show that the photoluminescence is partially unpolarized owing to fast relaxation between the two orbitals induced by the thermal bath. This result might be important in the context of the realization of indistinguishable single photons using NV defect in diamond.

研究动机与目标

• 研究在低温下金刚石中氮空位（NV）中心发射的单光子的偏振特性。
• 确定通过特定跃迁偶极子激发时，NV中心的光致发光是否偏振。
• 理解热浴诱导的激发态轨道分支间弛豫在降低光子偏振性方面的作用。
• 评估其在量子信息应用中生成不可区分单光子的含义。
• 提供关于偏振度及其与激发态弛豫动力学依赖关系的实验证据。

提出的方法

• 使用共聚焦显微镜装置，在低温下对IIa型金刚石中的单个NV中心进行共振激发。
• 通过偏振调谐的激光激发，选择性激发激发态轨道双重态中的一个正交跃迁偶极子（E_x或E_y）。
• 使用偏振片和四分之一波片，分析发射光致发光的偏振态随角度的变化。
• 使用速率方程建模激发态布居动力学：p_x(t) = ½(1 + e^(-2γt)) 和 p_y(t) = ½(1 - e^(-2γt))，其中γ为热弛豫速率。
• 计算偏振对比度 C = (1 - α²)/(1 + α²)，其中 α = tanh(γτ)，τ ≈ 12 ns 为辐射寿命。
• 将实验数据（光致发光强度与偏振片角度的关系）与余弦函数拟合，以提取调制对比度并推断弛豫时间 γ⁻¹。

实验结果

研究问题

• RQ1 金刚石中NV中心的两个激发态轨道分支是否与正交的跃迁偶极子相关？
• RQ2 当选择性地在一个跃迁偶极子上激发时，单个NV中心的光致发光在多大程度上是偏振的？
• RQ3 激发态轨道分支之间的热浴诱导弛豫如何影响发射光子的偏振性？
• RQ4 弛豫速率γ与光致发光中观察到的偏振度之间存在何种关系？
• RQ5 观察到的部分未偏振现象是否能通过辐射寿命期间热平衡的模型进行定量解释？

主要发现

• 通过偏振分辨测量证实，NV中心的两个激发态轨道分支（E_x和E_y）与(x,y)平面内的两个正交跃迁偶极子相关。
• 当一个跃迁偶极子被选择性激发时，光致发光表现出55%的偏振对比度，表明存在部分偏振。
• 测得的对比度对应于热弛豫时间 γ⁻¹ ≈ 20 ns，表明弛豫速度显著快于辐射寿命（τ ≈ 12 ns）。
• 当 γ⁻¹ ≪ τ（例如 γ⁻¹ < 3 ns）时，系统在发射前已达到热平衡，导致完全未偏振的发射（C = 0）。
• 当 γ⁻¹ ≫ τ 时，发射将完全偏振（C = 1），但此类条件在典型实验设置中无法实现。
• 不同NV中心之间对比度（0–60%）的变化归因于局部环境差异对弛豫速率γ的影响。