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May 28, 2023

Verstärkung der Fluoreszenz einzelner Siliziumkarbid-Spinfarbzentren

9. Juni 2023 Dieser Artikel

9. Juni 2023

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von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas

In einer online in Nano Letters veröffentlichten Studie erzielte das Team unter der Leitung von Prof. Li Chuanfeng und Dr.

Die Forscher nutzten Oberflächenplasmonen, um die Fluoreszenzhelligkeit einzelner PL6-Farbzentren mit doppelter Leerstelle aus Siliziumkarbid deutlich zu steigern, was zu einer Verbesserung der Effizienz der Spinsteuerung unter Nutzung der Eigenschaften koplanarer Wellenleiter führte. Diese kostengünstige Methode erfordert weder eine komplexe Mikro-Nano-Verarbeitungstechnologie noch beeinträchtigt sie die Kohärenzeigenschaften der Farbzentren.

Spinfarbzentren in Festkörpersystemen sind für die Quanteninformationsverarbeitung von entscheidender Bedeutung, und die Helligkeit ihrer Fluoreszenz ist ein entscheidender Parameter für praktische Quantenanwendungen.

Traditionell erfordert die Verstärkung der Fluoreszenz von Spin-Farbzentren deren Kopplung mit Festkörper-Mikro-Nanostrukturen. Diese gängige Methode umfasst verschiedene Schemata wie die Herstellung von Festkörper-Immersionslinsen, Nanosäulen, Bull's-Eye-Strukturen, photonischen Kristall-Mikrokavitäten und Faserkavitäten. Dennoch bleiben Herausforderungen bestehen, wie etwa die Anfälligkeit der Spineigenschaften des Farbzentrums gegenüber komplexen Mikro-Nano-Herstellungsprozessen und die Schwierigkeit, bestimmte Farbzentren mit Mikro-Nano-Strukturen auszurichten.

Als Pionier eines neuen Ansatzes nutzte das Team Plasmonen, um die Fluoreszenz von Spinzentren in Siliziumkarbid zu verstärken. Die Forscher stellten durch chemisches und mechanisches Polieren einen dünnen Siliziumkarbidfilm mit einer Dicke von etwa 10 Mikrometern her. Sie nutzten die Ionenimplantationstechnologie, um oberflächennahe Farbzentren mit zwei Leerstellen im Film zu erzeugen.

Der Film wurde umgedreht und unter Ausnutzung von Van-der-Waals-Kräften auf einen Siliziumwafer geklebt, der mit einem koplanaren Goldwellenleiter beschichtet war. Durch diese Positionierung konnten die oberflächennahen Farbzentren unter den Einfluss der Oberflächenplasmonen des Goldwellenleiters geraten, wodurch die Fluoreszenz der Farbzentren verstärkt wurde.

Mit einer Objektivlinse (mit einer numerischen Apertur von 0,85) und dem Verstärkungseffekt von Oberflächenplasmonen erreichten die Forscher eine siebenfache Steigerung der Helligkeit eines einzelnen PL6-Farbzentrums. Bei einer Öllinse mit einer numerischen Apertur von 1,3 überstieg die Fluoreszenz des Farbzentrums eine Million Zählimpulse pro Sekunde.

Darüber hinaus gelang es den Forschern, den Abstand zwischen dem oberflächennahen Farbzentrum und dem koplanaren Wellenleiter präzise zu manipulieren, indem sie die Filmdicke mit einem reaktiven Ionenätzverfahren anpassten, was es ihnen ermöglichte, den optimalen Betriebsbereich zu untersuchen. Neben der Erzeugung von Oberflächenplasmonen kann der koplanare Goldwellenleiter auch zur effizienten Abstrahlung von Mikrowellen verwendet werden, wodurch die Effizienz der Spinsteuerung deutlich verbessert wird.

Der koplanare Wellenleiter erhöhte die Rabi-Frequenz eines einzelnen PL6-Farbzentrums bei gleicher Mikrowellenleistung im Vergleich zu herkömmlichen Mikrowellenbestrahlungsverfahren um das 14-fache.

Darüber hinaus untersuchten die Forscher den Mechanismus der Fluoreszenzverstärkung. Durch Anpassen der Autokorrelationsfunktion mithilfe eines Drei-Ebenen-Modells und Messen der Fluoreszenzlebensdauer bei nichtresonanter Anregung bestätigten sie, dass Oberflächenplasmonen die Fluoreszenzhelligkeit steigerten, indem sie die Strahlungsübergangsrate des Energieniveaus des Farbzentrums erhöhten.

Sie fanden außerdem heraus, dass mit abnehmender Wechselwirkungsentfernung der Löscheffekt von Oberflächenplasmonen zu einem Rückgang der Fluoreszenzhelligkeit des Farbzentrums führte.

Diese Arbeit markiert die erste Implementierung plasmonenverstärkter Fluoreszenz von oberflächennahen Spinfarbzentren in Siliziumkarbidfilmen. Die Herstellung des koplanaren Goldwellenleiters ist unkompliziert und erfordert keine komplizierten Verstärkungsstrukturen oder Ausrichtungsprozesse. Diese Methode verstärkt auch die Fluoreszenz anderer Spinfarbzentren in Siliziumkarbid, was einen bedeutenden Fortschritt bei der Anwendung von Siliziumkarbidmaterialien auf dem Gebiet der Quantenwissenschaft darstellt.

Mehr Informationen: Ji-Yang Zhou et al., Plasmonisch verstärkte helle Einzelspindefekte in Siliziumkarbidmembranen, Nano Letters (2023). DOI: 10.1021/acs.nanolett.3c00568

Zeitschrifteninformationen:Nano-Buchstaben

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