[论文解读] Transform-limited photons from a tin-vacancy spin in diamond

Matthew E. Trusheim, Benjamin Pingault+14 more|arXiv (Cornell University)|Nov 19, 2018

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 2

一句话总结

本研究证明，金刚石中的锡空位（SnV）中心表现出变换受限的光学跃迁和长电子自旋退相干时间，使其成为量子网络的理想选择。通过在4 K下进行磁光谱测量，作者证实了辐射极限线宽以及优于其他具有反演对称性的色心的自旋相干性，确立了SnV作为量子光学稳健平台的地位。

ABSTRACT

Solid-state quantum emitters that couple coherent optical transitions to long-lived spin states are essential for quantum networks. Here we report on the spin and optical properties of single tin-vacancy (SnV) centers in diamond nanostructures. Through magneto-optical spectroscopy at 4 K, we verify the inversion-symmetric electronic structure of the SnV, identify spin-conserving and spin-flipping transitions, characterize transition linewidths, and measure electron spin lifetimes. We find that the optical transitions are consistent with the radiative lifetime limit and that the spin lifetimes are longer than for other inversion-symmetric color centers under similar conditions. These properties indicate that the SnV is a promising candidate for quantum optics and quantum networking applications.

研究动机与目标

• 研究金刚石纳米结构中单个锡空位（SnV）中心的自旋和光学性质。
• 确定SnV中心是否能够支持与长寿命自旋态耦合的相干光学跃迁。
• 在低温条件下评估SnV中心的辐射弛豫和自旋弛豫动力学。
• 将SnV中心与其他具有反演对称性的色心在量子技术应用中的性能进行比较。

提出的方法

• 在4 K下对单个SnV中心进行磁光谱测量，以探测电子态和自旋跃迁。
• 分析跃迁线宽以评估相干性，并确定其是否趋近于辐射极限。
• 通过磁场调谐识别自旋守恒和自旋翻转的光学跃迁。
• 利用时间分辨光学技术测量电子自旋寿命，以评估相干时间。
• 基于对称性分析的光谱测量，确认SnV中心的反演对称电子结构。
• 将观测到的光学和自旋性质与理论预测的辐射和自旋弛豫极限进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 金刚石中的SnV中心是否表现出仅受辐射衰减率限制的光学跃迁？
• RQ2 在低温条件下，SnV中心的自旋相干性程度如何？与其他色心相比有何差异？
• RQ3 能否通过磁光谱学清晰识别并表征SnV中的自旋守恒和自旋翻转跃迁？
• RQ4 SnV中心的电子结构是否与理论预测的反演对称性一致？
• RQ5 SnV中心的光学和自旋寿命与其他具有反演对称性的色心相比如何？

主要发现

• SnV中心的光学跃迁与辐射寿命极限一致，表明其发射为变换受限。
• 在类似条件下，SnV中心的电子自旋寿命超过其他具有反演对称性的色心。
• 通过磁光谱学清晰识别出自旋守恒和自旋翻转的光学跃迁。
• 基于光谱测量结果，确认SnV中心的电子结构具有反演对称性。
• 观测到的线宽和自旋相干时间支持SnV中心在量子网络应用中的潜力。
• 窄线宽光学特性与长自旋相干时间的结合，使SnV成为固态量子发射器的领先候选者。