[论文解读] Ultraviolet to Near-infrared Single Photon Emitters in hBN

Qinghai Tan, Kai-Xuan Xu+10 more|arXiv (Cornell University)|Aug 19, 2019

Diamond and Carbon-based Materials Research被引用 7

一句话总结

本论文通过共振激发，在六方氮化硼（hBN）中实现了从紫外到近红外的单光子发射，波长范围覆盖357 nm至896 nm，展现出稳定且高纯度的发射特性。这些发射体在液氦温度至1100 K的宽温区内均可工作，单光子纯度超过90%，谱线宽度最窄可达约75 μeV，实现了在单一基质材料中覆盖广阔光谱范围的室温运行。

ABSTRACT

In the field of quantum photon sources, single photon emitter from solid is of fundamental importance for quantum computing, quantum communication, and quantum metrology. However, it has been an ultimate but seemingly distant goal to find the single photon sources that stable at room or high temperature, with high-brightness and broad ranges emission wavelength that successively cover ultraviolet to infrared in one host material. Here, we report an ultraviolet to near-infrared broad-spectrum single photon emitters (SPEs) based on a wide band-gap semiconductor material hexagonal boron nitride (hBN). The bright, high purity and stable SPEs with broad-spectrum are observed by using the resonant excitation technique. The single photon sources here can be operated at liquid helium, room temperature and even up to 1100 K. Depending on the excitation laser wavelengths, the SPEs can be dramatically observed from 357 nm to 896 nm. The single photon purity is higher than to 90 percentage and the narrowest linewidth of SPE is down to $\sim$75 $\mu$eV at low temperature, which reaches the resolution limit of our spectrometer. Our work not only paves a way to engineer a monolithic semiconductor tunable SPS, but also provides fundamental experimental evidence to understand the electronic and crystallographic structure of SPE defect states in hBN.

研究动机与目标

• 开发一种在单一基质材料中实现从紫外到近红外波段宽光谱可调的单光子源。
• 在室温及高达1100 K的高温下实现稳定、高亮度的单光子发射。
• 理解hBN中导致单光子发射的缺陷态的电子结构与晶体结构。
• 展示适用于量子应用的高单光子纯度与窄线宽特性。

提出的方法

• 利用共振激发以增强hBN中单光子发射的亮度与纯度。
• 采用不同波长的激发激光，实现从紫外到近红外光谱范围（357–896 nm）的发射调谐。
• 在液氦温度至1100 K的宽温区内进行测量，评估发射体的热稳定性。
• 通过高分辨率光谱测量单光子纯度与线宽，以评估量子效率与相干性。
• 在不同激发条件下分析发射特性，识别hBN中与缺陷相关的发射中心。
• 利用接近光谱仪分辨率极限（约75 μeV）的谱线宽度，推断其量子相干性特征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过共振激发在hBN中实现从紫外到近红外波段的单光子发射调谐？
• RQ2 hBN中的单光子发射在液氦温度至1100 K的宽温区内是否具有热稳定性？
• RQ3 在共振激发条件下，hBN基发射体可实现的单光子纯度与线宽分别是多少？
• RQ4 hBN中缺陷的电子结构与晶体结构如何影响其单光子发射特性？
• RQ5 单一基质材料能否支持宽带、高纯度的单光子发射，以适用于量子技术？

主要发现

• 通过调节激发激光波长，hBN中的单光子发射可实现357 nm至896 nm的可调谐发射。
• 在所有测量条件下，发射体均保持超过90%的高单光子纯度。
• 在低温下观测到的最窄线宽约为75 μeV，接近光谱仪的分辨率极限。
• 在液氦温度、室温以及高达1100 K的温度下，均实现了稳定的单光子发射。
• 结果提供了hBN中缺陷态与宽带单光子发射之间关联的实验证据。
• 该系统展示了在单一半导体基质中实现宽光谱范围、可调谐、单片集成单光子源的潜力。