近年來，量子技術(shù)不斷發(fā)展與演進(jìn)，已經(jīng)在朝量子集成及量子芯片領(lǐng)域發(fā)展，且目前已經(jīng)在單光子檢測(cè)器等器件中取得了重大進(jìn)展，然而，在單光子源領(lǐng)域中卻一直未有所突破。

通過納米金剛石獲得單光子源是眾多有效解決方法之一，其原理為：利用氮原子及其間隙來替代金剛石晶格中的碳原子，即所謂的氮空位中心，在其間隙中包含未配對(duì)的電子，該電子可以與外部電子結(jié)合形成一個(gè)量子力學(xué)自旋系統(tǒng)，從而在被綠光照射時(shí)發(fā)出紅色波長(zhǎng)的單光子流。但與其他單光子源一樣，都無法實(shí)現(xiàn)對(duì)這些空位中心進(jìn)行大量并且彼此獨(dú)立的操作。

為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，德國(guó)明斯特大學(xué)的Carsten Schuck等人通過一系列的研究與實(shí)驗(yàn)成功將幾納米大小的金剛石集成到了一個(gè)納米光子集成網(wǎng)絡(luò)中，并成功展示了可以單獨(dú)操控每個(gè)金剛石獨(dú)立地發(fā)射單光子流，如圖1所示。

圖1 納米金剛石光子集成網(wǎng)絡(luò)示意圖

為了制備該光子網(wǎng)絡(luò)，Carsten Schuck等人在硅襯底頂部的五氧化二鉭薄膜上刻蝕了一系列的光子器件，其中每個(gè)光子器件都包含多個(gè)波導(dǎo)，并分別與光纖和具有空位中心的光子晶體腔相連。

此外為了制造晶體腔，研究人員首先在該芯片上涂覆了聚合物抗蝕劑；然后使用電子束光刻技術(shù)沿著五氧化二鉭的錐形部分以固定的周期切割了寬為240 nm孔形陣列；最后，將直徑為35 nm的人造金剛石填充到中心孔中（通過滴加含有“納米金剛石”的去離子水溶液）完成晶體腔的制備。

Carsten Schuck等人用532 nm的激光分別以透鏡入射和波導(dǎo)傳輸?shù)姆绞綄?duì)納米金剛石腔進(jìn)行照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方式都會(huì)在705 nm附近觀察到腔體發(fā)射的尖峰，并且還證明了發(fā)射的光子具備有單光子源的特性：發(fā)射的光子已經(jīng)經(jīng)歷了反聚束作用，即兩個(gè)光子之間的延遲幾乎相等。

最后，研究人員發(fā)現(xiàn)該設(shè)備在一定頻率的微波狀態(tài)下時(shí)，氮空位中心的電子對(duì)進(jìn)入一對(duì)簡(jiǎn)并態(tài)，從而導(dǎo)致在綠光照射下發(fā)射熒光的削弱。但是，如果將該設(shè)備放入磁場(chǎng)環(huán)境中，則簡(jiǎn)并狀態(tài)會(huì)分裂，微波共振頻率也會(huì)發(fā)生變化，因此可以將其用于磁場(chǎng)檢測(cè)器中，但仍需對(duì)納米金剛石腔進(jìn)行深入的表征及校準(zhǔn)。

研究人員補(bǔ)充道：“對(duì)于單個(gè)設(shè)備而言，空位中心越多其應(yīng)用價(jià)值也就越大，比如多個(gè)空位中心會(huì)同時(shí)賦予脈沖激光器激活電子系統(tǒng)和記錄發(fā)射狀態(tài)的能力，并且對(duì)于兩個(gè)間距較大的設(shè)備而言，還可以實(shí)現(xiàn)并行且獨(dú)立的操控?！?他們認(rèn)為，在不久的將來，他們的技術(shù)應(yīng)該非常適合生產(chǎn)靈敏的量子磁力計(jì)。

來源：

https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2020/december/nanodiamonds_show_promise_as_single-photon_sources/