量子發(fā)射器可以通過(guò)低損耗等離子體配置集成在單片納米級(jí)等離子體電路中，以將光限制在遠(yuǎn)低于衍射極限的范圍內(nèi)。在集成量子等離子體激元中，基于表面等離子體激元（SPP）模式的波導(dǎo)沿著金屬 - 電介質(zhì)或金屬 - 空氣界面?zhèn)鞑ル姶挪▋?yōu)于基于電介質(zhì)（因此衍射限制）的光子波導(dǎo)。觀察是對(duì)于可賽爾增強(qiáng)從嵌入式量子發(fā)射器和向發(fā)展的趨勢(shì)芯片上的集成和小型化實(shí)現(xiàn)光信號(hào)處理和集成電路。已經(jīng)開(kāi)發(fā)了不同的金屬 - 電介質(zhì)配置，用于在單光子尺度上的強(qiáng)光 - 物質(zhì)相互作用，以支持限制在衍射極限之外的等離子體模式的傳播。該物業(yè)可以使獨(dú)特的前景設(shè)計(jì)出具有納米級(jí)分辨率的高度集成的光子信號(hào)處理系統(tǒng)，傳感器和光學(xué)成像技術(shù)。

       與其他混合量子系統(tǒng)相比，GeV-DLSPPW平臺(tái)的效率，a）觀察到DLSPPW耦合GeV中心的模擬等離子體衰減速率的依賴性。插圖顯示了位于DLSPPW波導(dǎo)內(nèi)的y取向偶極發(fā)射器的橫截面，b）納米金剛石內(nèi)GeV中心內(nèi)部分布的發(fā)射效率（β因子）的分布曲線，其中每個(gè)彩色正方形代表相應(yīng)的面內(nèi)偶極子位置的中心值，c）與其他量子發(fā)射體等離子體波導(dǎo)（QE PW）混合系統(tǒng)相比，AgV晶體上GeV-DLSPPW的混合量子等離子體系統(tǒng)的品質(zhì)因數(shù)（FOM）和傳輸長(zhǎng)度。圖片來(lái)源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。

       過(guò)去創(chuàng)建的各種基于SPP的結(jié)構(gòu)包括金屬納米線（NW），平行NW，V形槽（VG）和楔形波導(dǎo)，它們已經(jīng)展示了用于潛在量子應(yīng)用的單一等離子體引導(dǎo)。由于若干挑戰(zhàn)，包括SPP模式的高傳播損耗和對(duì)單量子發(fā)射器的有限控制，這種集成量子光子學(xué)的實(shí)際實(shí)現(xiàn)仍然是難以捉摸的。最近，研究納米制造的低損耗，介電負(fù)載SPP波導(dǎo)（DLSPPW）構(gòu)造在銀膜上，用于由嵌入式納米金剛石和氮空位中心組成的簡(jiǎn)單量子等離子體電路。

       現(xiàn)在，在光學(xué)科學(xué)和應(yīng)用領(lǐng)域?qū)懽鳎琀amidreza Siampour及其同事通過(guò)演示單光子源和等離子體 波導(dǎo)之間的片上耦合，在集成量子等離子體學(xué)領(lǐng)域向前邁出了一步。在這種方法中，物理學(xué)家設(shè)計(jì)了納米金剛石具有發(fā)射單光子的鍺空位（GeV）中心，嵌入在由使用電子束光刻制造的銀層頂上的介電氫倍半硅氧烷（HSQ）組成的等離子體波導(dǎo)內(nèi)。當(dāng)綠色激光（532nm）通過(guò)光柵耦合器耦合到波導(dǎo)的一端以傳播到納米金剛石時(shí)，它激發(fā)GeV中心，其發(fā)射單個(gè)光子，其耦合到波導(dǎo)的等離子體模式。在這項(xiàng)工作中，研究人員實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)波導(dǎo)傳輸長(zhǎng)度（33μm）和高效耦合（56％），從而開(kāi)辟了基于芯片的量子電路開(kāi)發(fā)的新途徑。

       沿著低損耗等離子體波導(dǎo)傳輸綠色激光（532nm），a）單晶片（頂部）的SEM圖像和在Ag板頂部制造的DLSPP波導(dǎo)（底部），b）用于波導(dǎo)的光學(xué)表征532nm激光的平行（頂部）和垂直（底部）偏振，c）Ag片上不同長(zhǎng)度的制造波導(dǎo)的明場(chǎng)顯微鏡圖像（插圖顯示了使用的波導(dǎo)末端的光柵耦合器的圖像）為了最大化DLSPPW的耦合效率，d）在532nm的Ag薄片上測(cè)量DLSPPW的傳播長(zhǎng)度為11.8μm。圖片來(lái)源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。

       該研究首次詳細(xì)介紹了GeV納米金剛石的合成和表征。納米金剛石采用高壓高溫（HPHT）法生產(chǎn); Ge在成長(zhǎng)過(guò)程中被引入以整合單個(gè)GeV中心?？茖W(xué)家們提出并展示了使用DLSPPW進(jìn)行納米加工的混合方法，該方法采用單銀（Ag）晶體結(jié)構(gòu)，與其他技術(shù)制造的Ag薄膜相比，顯著降低了SPP阻尼率。該方法有助于在結(jié)合在等離子體芯片內(nèi)的納米金剛石中的GeV中心的激發(fā)和發(fā)射波長(zhǎng)處的足夠長(zhǎng)的SPP傳播。

       使用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）在原始樣品中觀察合成的GeV納米和微米金剛石的結(jié)構(gòu)。將合成的納米金剛石旋涂在Ag涂覆的硅晶片上，并用共聚焦熒光顯微鏡掃描。測(cè)量數(shù)據(jù)表明基于納米金剛石中的單個(gè)GeV中心的超亮，光譜窄且穩(wěn)定的單光子源，適用于高度集成的電路。使用檢測(cè)器中的分析儀測(cè)量GeV納米金剛石的偏振特性，以確定在表面平面上發(fā)射的單光子的投射。針對(duì)單個(gè)GeV納米金剛石測(cè)量的數(shù)據(jù)符合基于周期表中第IV族元素的金剛石色心的模型極化特征（例如硅空位SiV）

       納米金剛石的表征：a）HPHT合成后原始樣品的GeV納米和微金剛石的SEM圖像，可以看到TEM圖像。b）Ge原子位于兩個(gè)空晶格位置的中間，包括反轉(zhuǎn)對(duì)稱性，c）系統(tǒng)包括電子結(jié)構(gòu)和類似于IV族鉆石顏色中心族的光學(xué)躍遷，d）標(biāo)準(zhǔn)化光子速率為Ag平面中的單個(gè)GeV納米金剛石與分析儀角度，測(cè)量（點(diǎn)）和模型擬合（實(shí)心）。圖片來(lái)源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。

       觀察到的金剛石納米晶體中單光子發(fā)射的能力可以實(shí)現(xiàn)混合量子等離子體系統(tǒng)，其可以促進(jìn)結(jié)合在等離子體芯片中的GeV中心的遠(yuǎn)程激發(fā)。Siampour等人。與其他混合量子等離子體系統(tǒng)相比，優(yōu)雅地展示了GeV-DLSPPW系統(tǒng)的高效遠(yuǎn)程交付。一個(gè)特殊的優(yōu)值的180（FOM）顯露在研究由于?六倍賽爾增強(qiáng)，56％耦合在一個(gè)波長(zhǎng)（效率和?33微米的傳輸長(zhǎng)度λ的602納米）。

       電子束光刻用于在Ag涂覆的基底上制造具有HSQ抗蝕劑的波導(dǎo)，以包含具有單個(gè)GeV中心的納米金剛石 - 通過(guò)受控放置添加到裝置中。該技術(shù)提供了~30 nm的精確放置，通過(guò)SEM成像觀察得到增強(qiáng)，受到納米金剛石尺寸的限制，使用現(xiàn)有的金剛石合成技術(shù)可以制造低至1 nm。在通過(guò)綠色泵浦激光器激發(fā)納米金剛石后，用原子力顯微鏡（AFM）和電荷耦合器件（CCD）相機(jī)觀察制造的波導(dǎo)。

       單個(gè)GeV納米金剛石（ND）的片上激發(fā)通過(guò)受控放置分配在Ag薄膜頂部用氫倍半硅氧烷（HSQ）制造的裝置中a）樣品布局和嵌入等離子體波導(dǎo)中的GeV納米金剛石的直接激發(fā)的工作原理， b）制造的波導(dǎo)的AFM圖像（左），納米金剛石被激發(fā)的整個(gè)結(jié)構(gòu)的CCD圖像（右）。三個(gè)點(diǎn)ND，A和B顯示GeV發(fā)射器（ND）的激發(fā)和發(fā)射以及GeV與DLSPPW模式的耦合，來(lái)自兩端（A和B）的傳播和外耦合輻射。圖片來(lái)源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。

       此外，作者使用單晶Ag薄片代替Ag薄膜來(lái)顯著增強(qiáng)DLSPPW傳播長(zhǎng)度。通過(guò)DLSPPW模式傳輸?shù)木G色激光在光學(xué)上表征為沿波導(dǎo)軸的偏振。測(cè)量幾個(gè)不同長(zhǎng)度的波導(dǎo)的透射率，以顯示通過(guò)低損耗DLSPPW的綠色激光的非常傳播長(zhǎng)度（~11.8μm）。

       用于納米金剛石的片上激發(fā)的器件布局和工作原理的示意圖。納米金剛石攜帶嵌入DLSPP波導(dǎo)中的光譜窄的單GeV量子發(fā)射器。圖片來(lái)源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。

       使用類似的設(shè)置，科學(xué)家們開(kāi)始演示并確認(rèn)與DLSPPW模式耦合的GeV中心的遠(yuǎn)程激發(fā)。隨后，使用有限元建模（FEM）方法模擬GeV衰減速率，并且與其在真空中的發(fā)射相比，預(yù)測(cè)波導(dǎo)中的GeV中心的衰減率高達(dá)四倍。與先前演示的系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，通過(guò)使用更大的折射率電介質(zhì)如二氧化鈦（TiO 2），在未來(lái)的研究中可以進(jìn)一步增強(qiáng)觀察到的Purcell因子。

       該研究開(kāi)辟了將激發(fā)激光器，量子發(fā)射器和等離子體電路集成到同一芯片上的方法。先前的策略已經(jīng)證明在芯片上檢測(cè)到單個(gè)等離子體和雙等離子體干擾。通過(guò)在單個(gè)芯片上結(jié)合所有這三種技術(shù)，作者設(shè)想在不久的將來(lái)可以在芯片上集成量子等離子體電路的所有元素。