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量子物理

arXiv:1703.00815v1 (quant-ph)
[提交于 2017年3月2日 ]

标题: 确定性增强超纯钻石中氮-空位中心的相干光子产生

标题: Deterministic enhancement of coherent photon generation from a nitrogen-vacancy center in ultrapure diamond

Authors:Daniel Riedel, Immo Söllner, Brendan J. Shields, Sebastian Starosielec, Patrick Appel, Elke Neu, Patrick Maletinsky, Richard J. Warburton (Department of Physics, University of Basel)
摘要: 金刚石中的氮-空位(NV)中心具有光学可寻址且高相干性的自旋。然而,即使在高质量的单晶材料中,NV中心也只是一个非常差的单光子源:从高折射率的金刚石中提取效率低下,相干光子的发射仅占总发射量的百分之几,并且衰减时间较长。原则上,这三个问题都可以通过共振微腔解决。但实际上,实现这一概念被证明是困难的:光子工程依赖于纳米加工,但众所周知,处理金刚石时很难不损害NV中心的质量。我们在这里提出了一种微腔方案,它使用了经过最少加工的金刚石,从而保留了起始材料的高质量,并提供了一个可调谐的微腔平台。我们展示了当调节腔频率和节点位置时,多个单独的NV中心的寿命发生了明显变化,这是一种帕尔默效应。总体帕尔默因子$F_{\rm P}=2.0$转化为零声子线(ZPL)的帕尔默因子$F_{\rm P}^{\rm ZPL}\sim30$,以及ZPL发射概率从$\sim 3 \%$增加到$\sim 46 \%$。通过以确定性的方式对NV的光学性质做出变革性改进,这些结果为大幅提升自旋-光子和自旋-自旋纠缠速率铺平了道路。
摘要: The nitrogen-vacancy (NV) center in diamond has an optically addressable, highly coherent spin. However, an NV center even in high quality single-crystalline material is a very poor source of single photons: extraction out of the high-index diamond is inefficient, the emission of coherent photons represents just a few per cent of the total emission, and the decay time is large. In principle, all three problems can be addressed with a resonant microcavity. In practice, it has proved difficult to implement this concept: photonic engineering hinges on nano-fabrication yet it is notoriously difficult to process diamond without degrading the NV centers. We present here a microcavity scheme which uses minimally processed diamond, thereby preserving the high quality of the starting material, and a tunable microcavity platform. We demonstrate a clear change in the lifetime for multiple individual NV centers on tuning both the cavity frequency and anti-node position, a Purcell effect. The overall Purcell factor $F_{\rm P}=2.0$ translates to a Purcell factor for the zero phonon line (ZPL) of $F_{\rm P}^{\rm ZPL}\sim30$ and an increase in the ZPL emission probability from $\sim 3 \%$ to $\sim 46 \%$. By making a step-change in the NV's optical properties in a deterministic way, these results pave the way for much enhanced spin-photon and spin-spin entanglement rates.
评论: 6页,4幅图
主题: 量子物理 (quant-ph) ; 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall); 光学 (physics.optics)
引用方式: arXiv:1703.00815 [quant-ph]
  (或者 arXiv:1703.00815v1 [quant-ph] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.1703.00815
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI
期刊参考: Phys. Rev. X 7, 031040 (2017)
相关 DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevX.7.031040
链接到相关资源的 DOI

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来自: Daniel Riedel [查看电子邮件]
[v1] 星期四, 2017 年 3 月 2 日 15:00:05 UTC (1,199 KB)
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