フェムト秒レーザー書き込みによるダイヤモンドフォトニクスとアクティブNVセンター
ダイヤモンドは、多くの人にとって、完璧な素材と考えられています。適切に切断されたときの驚くべき美しさとは別に、これは最も難しい天然のバルク材料であり、熱伝導率が高く、紫外線から遠赤外線の透過性に優れています。しかし、それは赤色レーザーポインター 高出力であり、量子光学学者がダイヤモンドについて興奮している別の特徴です。ダイヤモンドを機能させるための鍵は、半導体や従来のエレクトロニクスと同様に、不純物である：空の窒素中心（NV） - 「自然の独自の光子源」と呼ばれる点欠陥。
天然および合成の両方で製造されたダイヤモンド中に存在するNV中心は、ダイアモンド格子の炭素原子を置換する隣接する空の部位を有する窒素からなる。光学的に活性な欠陥は、周囲温度のコヒーレンスの長い時間を有し、量子ビットとして魅力的になる。デジタル0と1に依存する従来のコンピュータとは異なり、量子ビットは0と1の状態に同時にあり、いくつかの計算では指数関数的な増加が可能です。量子コンピュータは、現代科学におけるナノスケールシミュレーションや地球規模の気候や株式市場変動の予測などのマクロ的な問題など、困難な多変量問題を解決するのに特に役立ちます。さらに、NV中心の磁気的に敏感な基底状態のために、それらはナノメートル分解能で低磁場を測定するために使用することができ、ダイヤモンドベースの光磁力計に関する重要な研究を引き起こした。
ダイヤモンドの集積された光学プラットフォームは、導波路によって提供される相互作用の強化、およびNVセンタが長期間に量子エンタングルメントのために光学的に結合され得る量子計算のおかげで、磁気測定に有益であろうモノリシック導波路によって提供される安定性と集積化のために重要である。しかしながら、硬度および化学的不活性のために、ダイヤモンド、特に3D構造において光導波路を製造することは依然として困難である。
カルガリー大学、ミラノ工科大学、国際光電科学研究所（CNN）の国際共同研究の一環として、我々は最近、3D固体ダイヤモンド光ガイドの製造を実証したCNST-IIT Milanoの実験室で超鋭い30000mwのレーザーポインター 強力 カラスパルス。光学的に検出された磁気共鳴、mRaman分光法およびフォトルミネッセンス測定によって確認されたように、高い繰り返し率のレーザー書き込みが保存された結晶度導波路を生成することを示した。我々は、NV中心の顕著な特性が維持され、光子が欠陥の間で効率的に輸送され、進化する量子光子プラットフォームの構築における重要なステップであることを見出した。
NV中心の濃度はダイヤモンドの純度に依存するが、欠陥は体積全体にわたってランダムに分布する。既存のフォトニック回路とあらかじめ整列されたサブミクロンの解像度で、要求に応じて確定的にNVを生成することが非常に望ましい。最近、Chenらは、フェムト秒の緑色のレーザ静的露光によるダイヤモンド塊のギャップの発生を実証しました。 1000℃でアニーリングした後、レーザ形状のキャビティは窒素不純物に拡散して高品質のオンデマンドNVを生成する。
これらの重要なビルディングブロックを同じ集積ダイヤモンドチップに統合することにより、この先駆的な光導波路およびNVレーザー加工作業をさらに進め、強力な励起と光収集を同時に実現しました。 NV。単一の200mWレーザーポインター 100mW微細加工システムが使用されるので、NVと導波路との間の位置合わせは、サブミクロンの分解能で達成される。共焦点フォトルミネッセンス顕微鏡法と広視野EMCCDイメージングを用いて、光導波路を用いた単純なNVの結合を実証した。
光学的にアドレス指定されたNVセンターは、ダイヤモンドのより精巧な量子フォトニックネットワークへの扉を開くことができる。例えば、量子ダイヤモンドでは、光学的に関連した単一NVを単一光子源または固体量子ビットに利用することができる。より低い純度のダイヤモンドでは、導波路中の高密度NVセットのレーザー書き込み