A Solid-State Single Photon Source Based on Color Centers in Diamond

Published: July 30, 2007, 11 a.m.

Eine zuverl\xe4ssige, effiziente und kosteng\xfcnstige Einzelphotonenquelle ist eine wichtige Komponente in vielen Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Einzelphotonenquellen wurden schon in Experimente der Quantenkryptographie eingesetzt und haben Vorteile gegen\xfcber abgeschw\xe4chten Laserpulsen gezeigt. Eine Einzelphotonenquelle ist auch eine der notwendigen Voraussetzungen f\xfcr einen optischen Quantencomputer nach Vorschlag von Knill, Laflamme und Milburn. Dar\xfcber hinaus sind einzelne Photonen der ideale Kandidat um das Grundprinzip der Quantenmechanik zu demonstrieren. Deshalb ist eine Einzelphotonenquelle auch w\xfcnschenswert f\xfcr bildungszweck. Das in dieser Arbeit untersuchte Konzept f\xfcr eine Einzelphotonenquelle basiert auf den Farbzentren im Diamant. Farbzentren sind eine attraktive Wahl f\xfcr die praktischen Anwendungen wegen des relativ geringen experimentellen Aufwands. \n\nIn dieser Arbeit wurde das SiV (silicon vacancy) Zentrum ausf\xfchrlich untersucht, weil es mehrere vorteilhafte Eigenschaften hat, z.B. das schmales Spektrum und die kurze Lumineszenzlebensdauer. Die SiV-Zentren wurden durch Silizium-Ionenimplantation im IIa-Diamant erzeugt. Einzelne SiV-Zentren wurden durch ein konfokales Mikroskop optisch adressiert. Die Emission einzelner Photonen wurde durch die Messung der Intensit\xe4tskorrelationsfunktion nachgewiesen. Allerdings zeigt ein einzelnes SiV-Zentrum eine weiter niedrigere Photonenemissionsrate als erwartet. Es liegt auf einer Seite an einer schlechten Quantenausbeute wegen nicht-strahlender \xdcberg\xe4nge. Andererseits existiert ein zus\xe4tzliches metastabiles Niveau im Energieschema des SiV-Zentrums. Das metastabile Niveau wurde als der positive Ladungszustand identifiziert. Durch Manipulation des Fermi-Niveaus im Diamant mit Stickstoff-Ionenimplantation kann die Population des positiven Ladungszustands eliminiert werden. Au\xdfer dem SiV-Zentrum wurden mehrere unbekannte einzelne Farbzentren gefunden und charakterisiert. \n\nEine andere wichtige Angelegenheit ist das effiziente Aufsammeln der Fluoreszenz einzelner Quantenemitter. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden untersucht. Mit einer direkt auf Probe gesetzten Diamant Halbkugellinse wurde eine Erh\xf6hung von der Aufsammeleffizienz um einen Faktor 5 erreicht. Wenn die Gr\xf6\xdfe der Kristalle deutlich kleiner als die Wellenl\xe4nge der Fluoreszenz, tritt keine Brechung auf dem \xdcbergang zwischen Diamant und Luft auf. Deswegen wurden einzelne SiV-Zentren in Diamantnanokristallen auch untersucht. Dabei wurde st\xe4rkere Fluoreszenzintensit\xe4t observiert.