Verbetering van de fluorescentie van enkele siliciumcarbide spinkleurcentra

In een studie die online is gepubliceerd in Nano-brievenboekte het team onder leiding van prof. Li Chuanfeng en dr. Xu Jinshi van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie van China van de Chinese Academie van Wetenschappen vooruitgang bij het verbeteren van de fluorescentie van enkele spindefecten van siliciumcarbide.

De onderzoekers maakten gebruik van oppervlakte-plasmonen om de fluorescentiehelderheid van enkele siliciumcarbide dubbele vacature PL6-kleurcentra aanzienlijk te verhogen, wat leidde tot een verbetering van de efficiëntie van spincontrole met behulp van de eigenschappen van co-planaire golfgeleiders. Deze goedkope methode vereist geen complexe micro-nano-verwerkingstechnologie en doet evenmin afbreuk aan de coherentie-eigenschappen van de kleurcentra.

Spin-kleurcentra in solid-state systemen zijn cruciaal voor de verwerking van kwantuminformatie, en de helderheid van hun fluorescentie is een essentiële parameter voor praktische kwantumtoepassingen.

Traditioneel houdt het verbeteren van de fluorescentie van spinkleurcentra in dat ze worden gekoppeld aan micro-nanostructuren in vaste toestand, een veelgebruikte methode die verschillende schema’s omvat, zoals de fabricage van solide immersielenzen, nanopilaren, bull’s eye-structuren, microholten van fotonisch kristal en vezelholten. Desalniettemin blijven er uitdagingen bestaan, zoals de gevoeligheid van kleurcentrum-spineigenschappen voor complexe micro-nano-fabricageprocessen en de moeilijkheid om specifieke kleurcentra op één lijn te brengen met micro-nanostructuren.

Als pionier op het gebied van een nieuwe aanpak gebruikte het team plasmonen om de fluorescentie van spincentra in siliciumcarbide te verbeteren. De onderzoekers bereidden een dunne film van siliciumcarbide van ongeveer 10 micrometer dik voor via chemisch en mechanisch polijsten. Ze gebruikten ionenimplantatietechnologie om divacancy-kleurcentra in de film aan het oppervlak te creëren.

De film werd omgedraaid en gehecht aan een siliciumwafel bekleed met een coplanaire gouden golfgeleider, gebruikmakend van van der Waals-krachten. Door deze positionering konden de kleurcentra nabij het oppervlak onder invloed komen van de oppervlakte-plasmonen van de gouden golfgeleider, waardoor de fluorescentie van de kleurcentra werd verbeterd.

Met een objectieflens (met een numerieke apertuur van 0,85) en het versterkende effect van oppervlakte-plasmonen bereikten de onderzoekers een zevenvoudige verbetering van de helderheid van een enkel PL6-kleurencentrum. Met een olielens met een numerieke apertuur van 1,3 overschreed de fluorescentie van het kleurcentrum een ​​miljoen tellingen per seconde.

Bovendien slaagden de onderzoekers erin om de afstand tussen het kleurcentrum nabij het oppervlak en de coplanaire golfgeleider nauwkeurig te manipuleren door de filmdikte aan te passen met een reactief ionenetsproces, waardoor ze het optimale werkingsbereik konden bestuderen. Afgezien van het genereren van oppervlakte-plasmonen, kan de coplanaire gouden golfgeleider worden gebruikt om microgolven efficiënt uit te stralen, waardoor de efficiëntie van spincontrole aanzienlijk wordt verbeterd.

De coplanaire golfgeleider verhoogde de Rabi-frequentie van een enkel PL6-kleurencentrum met 14 keer onder hetzelfde microgolfvermogen vergeleken met dat bij conventionele microgolfstralingsmethoden.

Bovendien onderzochten de onderzoekers het mechanisme van fluorescentieverbetering. Door de autocorrelatiefunctie aan te passen met behulp van een model met drie niveaus en de niet-resonante excitatie-fluorescentielevensduur te meten, bevestigden ze dat oppervlakte-plasmonen de fluorescentiehelderheid verbeterden door de stralingsovergangssnelheid van het energieniveau van het kleurcentrum te verhogen.

Ze ontdekten ook dat naarmate de interactieafstand afnam, het uitdovende effect van oppervlakte-plasmonen resulteerde in een afname van de fluorescentiehelderheid van het kleurencentrum.

Dit werk markeert de eerste implementatie van plasmon-versterkte fluorescentie van spinkleurcentra nabij het oppervlak in siliciumcarbidefilms. De voorbereiding van de coplanaire gouden golfgeleider is eenvoudig zonder ingewikkelde verbeteringsstructuren of uitlijningsprocessen. Deze methode verbetert ook de fluorescentie van andere spinkleurcentra in siliciumcarbide, wat een belangrijke stap voorwaarts betekent in het toepassen van siliciumcarbidematerialen op het gebied van de kwantumwetenschap.