[论文解读] Three megahertz photon collection rate from an NV center with millisecond spin coherence

Luozhou Li, Edward H. Chen+8 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2014

Diamond and Carbon-based Materials Research参考文献 42被引用 87

一句话总结

本文提出了一种环形'靶心'金刚石光栅，可增强来自金刚石中氮空位（NV）中心的光子收集效率，实现了 (3.0 ± 0.1)×10⁶ 计数每秒的创纪录速率，同时保持毫秒级自旋相干性。该光栅通过在薄金刚石膜上进行纳米制造工艺制成，可将发射光重新导向低数值孔径模式，从而实现高效、与芯片兼容的量子器件，适用于传感和量子信息技术。

ABSTRACT

Efficient collection of the broadband fluorescence of the diamond nitrogen vacancy center is essential for a range of applications in sensing, on-demand single photon generation, and quantum information processing. Here, we introduce a circular `bullseye' diamond grating enabling a collected photon rate of $(3.0\pm0.1) imes10^6$ counts per second from a single nitrogen-vacancy center with a spin coherence time of 1.7$\pm$0.1 ms. Back-focal-plane studies indicate efficient redistribution into low-NA modes.

研究动机与目标

• 为克服由于金刚石高折射率导致的全内反射所引起的光子收集效率低下的问题。
• 开发一种平面化、与芯片兼容的纳米结构，以增强单个NV中心的宽带光致发光收集效率。
• 在纳米制造过程中保持NV中心的本征自旋相干性，以适用于量子信息应用。
• 实现对宽带和窄带发射（例如零声子线）的高效收集，以支持自旋-光子纠缠和单光子源。
• 展示一种可扩展的平台，可将NV中心与单芯片上的光子和电子元件集成。

提出的方法

• 利用反应离子刻蚀和单晶硅硬掩膜，在300 nm厚的金刚石膜上刻蚀出同心狭缝，制备了环形靶心光栅。
• 设计光栅周期（a = 330 nm），使其满足680 nm发射的二级布喇格条件，从而在垂直方向实现相长干涉。
• 采用背焦平面（BFP）成像分析远场发射图案，证实光栅可高效耦合至低数值孔径模式。
• 采用1.3 NA油浸物镜进行共聚焦显微镜的光学激发与收集，实现对单个NV中心的高灵敏度探测。
• 通过自旋共振测量（ODMR、Ramsey、Hahn回波、CPMG）表征自旋相干时间与超精细耦合。
• 利用FDTD方法（Lumerical）模拟光栅的光学响应，以预测收集效率与模式分布。

实验结果

研究问题

• RQ1 在金刚石中，平面环形靶心光栅是否能显著增强单个NV中心的宽带光致发光收集效率，且不损害其自旋相干性？
• RQ2 利用该光栅结构，单个NV中心可实现的最大光子收集速率是多少？
• RQ3 纳米制造工艺对金刚石中NV中心的自旋相干时间有何影响？
• RQ4 靶心几何结构在多大程度上可支持对窄带（零声子）发射的高效收集，以实现自旋-光子纠缠？
• RQ5 该光栅结构能否与微波控制线及其他光子元件集成，以实现可扩展的量子器件？

主要发现

• 该靶心光栅实现了从单个NV中心收集 (3.0 ± 0.1)×10⁶ 计数每秒的创纪录光子速率，相比体材料金刚石中的类似NV中心提升了10倍。
• 在环境条件下，NV中心仍保持 1.7 ± 0.1 ms 的自旋相干时间，与体材料金刚石中报道的最高值相当。
• 背焦平面成像证实，该光栅可有效将发射光重新分配至低数值孔径模式，从而提升收集效率。
• FDTD模拟显示，当NV中心位于靶心中心时，最大收集效率可达约30%，即使NV中心距离金刚石-空气界面在10 nm以内，效率仍超过50%。
• 对于窄带应用（Δλ/λ < 0.03），在NA = 1.5的数值孔径内，收集效率可优化至总偶极发射的90%。
• CPMG序列将自旋相干时间延长至 1.7 ± 0.1 ms，证实纳米制造工艺未破坏NV中心的高保真度自旋特性。