[论文解读] Sub-megahertz homogeneous linewidth for Er in Si via in situ single photon detection

Ian R. Berkman, Alexey Lyasota+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 16, 2021

Silicon Nanostructures and Photoluminescence参考文献 2被引用 5

一句话总结

本研究通过原位单光子探测，在硅中实现铒离子的亚兆赫兹均匀线宽（最低达0.75 MHz），避免了纳米加工。通过结合共振光致发光激发与超导单光子探测器，作者解析出此前未观测到的70条Er:Si共振线，光学寿命长达1.5 ms，非均匀展宽低于400 MHz，确立了Er:Si作为量子存储与通信应用的领先候选材料。

ABSTRACT

We studied the optical properties of a resonantly excited trivalent Er ensemble in Si accessed via in situ single photon detection. A novel approach which avoids nanofabrication on the sample is introduced, resulting in a highly efficient detection of 70 excitation frequencies, of which 63 resonances have not been observed in literature. The center frequencies and optical lifetimes of all resonances have been extracted, showing that 5% of the resonances are within 1 GHz of our electrically detected resonances and that the optical lifetimes range from 0.5 ms up to 1.5 ms. We observed inhomogeneous broadening of less than 400 MHz and an upper bound on the homogeneous linewidth of 1.4 MHz and 0.75 MHz for two separate resonances, which is a reduction of more than an order of magnitude observed to date. These narrow optical transition properties show that Er in Si is an excellent candidate for future quantum information and communication applications.

研究动机与目标

• 以高光谱分辨率表征三价铒离子在硅中的光学性质。
• 克服以往EPR、PL和PLE技术在分辨单个Er:Si位点时的局限性。
• 实现对量子存储与通信应用至关重要的亚兆赫兹均匀线宽。
• 开发一种可扩展的原位方法，探测稀土离子跃迁，无需对样品进行纳米加工。
• 测量Er:Si中广泛范围内共振线的光学寿命与非均匀展宽。

提出的方法

• 采用超导单光子探测器（SSPD）进行原位共振光致发光激发（PLE）光谱测量，以实现高灵敏度。
• 使用300 mK低温装置以最小化热展宽并提高信噪比（SNR）。
• 对选定共振线进行瞬态光谱空穴烧蚀，以提取均匀线宽。
• 应用声光调制器（AOM）与电光调制器（EOM）实现激光频率的精确控制与激发。
• 通过直接在原位探测样品避免纳米加工，实现对多个共振线的快速表征。
• 从光子计数率与衰减动力学中测量激发幅度、线宽与寿命。

实验结果

研究问题

• RQ1 单个Er:Si共振线在硅中的均匀线宽是多少？能否低于1 MHz？
• RQ2 通过原位单光子探测可解析出多少条此前未观测到的Er:Si共振线？
• RQ3 Er:Si跃迁的光学寿命是多少？其与共振频率之间有何关联？
• RQ4 非均匀展宽在多大程度上限制了Er:Si光学跃迁的相干性？
• RQ5 一种非侵入性、原位检测方法能否在无需样品特异性纳米加工的情况下实现亚MHz线宽？

主要发现

• 在1538.685 nm处的共振线均匀线宽测量值为0.75 MHz，在1532.254 nm处为1.4 MHz，相较于以往结果降低了一个多数量级。
• Er:Si集合的非均匀展宽小于400 MHz，表明光谱纯度高。
• 光学寿命范围为0.5 ms至1.5 ms，其中多个共振线的寿命超过1 ms。
• 共识别出70条不同的共振线，其中63条此前在EPR、PL或PLE研究中未被观测到。
• 信噪比（SNR）足够高，可在1530–1540 nm光谱范围内高保真度地分辨窄线特征。
• 该方法实现了无需样品特异性制备的快速、非破坏性多共振线表征，展现出可扩展性。