CC BY
58-10 декабря 2020 г.
Фурье-ограниченная ширина линий оптических переходов одиночных SiV-центров в наноалмазах из адамантана
1 12 Ромшин А.М. , Кудрявцев О.С. , Раттенбахер Д. ,
Шкарин А.Б.2, Рахлин М.В.3
1-Институт общей физики им. А.М.. Прохорова Российской академии наук
2- Институт физики света Общества Макса Планка, Эрланген, Германия
(Max Planck Institute for the Science of Light, Erlangen, Germany)
3- Физико-техническии"институт им. А Ф. Иоффе Российской академии наук
Е-mail: alex_31r@mail. ru
Центры окраски в алмазах являются крайне востребованными источниками излучения для квантовых вычислений [1], криптографии [2], высокоточных датчиков температуры [3], электрического и магнитного полей [4], фотостабильных нетоксичных биомаркеров [5]. В настоящее время одним из наиболее разрабатываемых центров является отрицательно заряженный комплекс "кремний-вакансия" (SiV). Междоузельный атом кремния, связанный с двумя вакансиями в соседних узлах алмазной решетки, формирует комплекс [6] с яркой и стабильной флуоресценцией, 70 % которой сконцентрировано в узкой бесфононной линии вблизи 738 нм, а короткое время жизни (~1 нс) обеспечивает высокую частоту следования фотонов.
В настоящей работе исследованы флуоресцентные свойства ансамблей и одиночных SiV-центров в HPHT-алмазах, полученных из адамантана (в дальнейшем - "адамантановых" алмазов), при гелиевых температурах. Ансамбли SiV-центров (~103) изучались в крупных алмазных кристаллах размером 1-2 мкм. Несмотря на большое количество возбуждаемых центров, в их спектрах флуоресценции удается наблюдать тонкую структуру бесфононной линии (рис. 1), соответствующую четырем разрешенным оптическим переходам между дублетами основного и возбужденного состояний SiV-центра. Ширина отдельных линий лежит в диапазоне 60-80 ГГц, что объясняется их неоднородным уширением. Одиночные SiV-центры изучались в алмазных кристаллитах размером около 200 нм
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ, АКТИВНЫЕ СРЕДЫ И НАНОСТРУКТУРЫ
при температуре 4 К.
V, "ГГц
407.0 406.В
А С
Рис. 1. Спектр флуоресценции ансамбля 81У-центров в 1-мкм алмазе.
Измерения при 11 К и нерезонансном возбуждении.
При резонансном возбуждении флуоресценции одиночных 81У-центров наименьшая ширина линии отдельного перехода почти в 1000 раз уже, чем для 81У-ансамбля, и демонстрирует рекордное малое для известных 81У-содержащих наноалмазов значение в 94 МГц (рис. 2), практически равное Фурье-ограниченной ширине Дю=1/(2га)«93 МГц, определяемой временем жизни 81У-перехода т=1.7 нс при данной температуре.
Рис. 2 Спектр резонансного возбуждения 81У-флуоресценции алмазной частицы размером около 200 нм: четыре пика Л-Б-С-0 в увеличенном масштабе; в правом верхнем углу показана их полуширина.
Так, в работе [7] сообщалось о достаточно узкой ширине переходов 81У-центров в НРНТ-алмазах размером 200 нм, синтезированных из нафталина и высоко фторированного графита. При 5 К минимальная ширина 81У-линий составила 206 МГц с учетом поправки на спектральную диффузию линии в пределах 100 МГц. В "адамантановых" наноалмазах спектральной диффузии
8-10 декабря 2020 г.
81У-линий не обнаружено. Для сравнения также отметим, что наименьшая ширина переходов одиночных 81У-центров в алмазах, синтезированных химическим осаждением из газовой фазы (СУБ методом), размером около 300 нм составила примерно 300 МГц при 4 К [8]. Таким образом, наблюдение Фурье-ограниченнои ширины линий оптических переходов одиночных 81У-центров в "адамантановых" наноалмазах свидетельствует о более высоком структурном качестве этих алмазов по сравнению с НРНТ-наноалмазами, синтезированными из других прекурсоров, а также СУБ-наноалмазами аналогичных размеров. НРНТ-наноалмазы, синтезированные из адамантана, оказываются сравнимы по структурному качеству с эпитаксиальными алмазными слоями, выращенными СУБ-методом на <100>-ориентированной НРНТ-алмазной подложке [9], для которых при 4 К ширина переходов составила 352 МГц (А), 409 МГц (Б), 136 МГц (С), 119 МГц (Б).
В заключение, нами установлено, что наноалмазы, синтезированные из адамантана, демонстрируют самую узкую Фурье-ограниченную ширину линий оптических переходов одиночных 81У-центров при криогенных температурах среди известных 81У-содержащих наноалмазов, полученных НРНТ- и СУБметодами. Это ставит "адамантановые" наноалмазы в ряд наиболее перспективных материалов для квантовых нанотехнологии
Авторы выражают благодарность научному руководителю к.ф.-м.н. Власову И.И. за постановку научной задачи и обсуждение результатов.
1. D. Sukachev, M. Lukin et al. Phys. Rev. Lett. 2017, 119, 223602.
2. H. Bernien, R. Hanson et al. Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 043604.
3. C. Nguyen, M. Lukin et al. Appl. Phys. Lett. 2018, 112(20), 203102.
4. J. Cai, F. Jelezko, and M. Plenio, Nat. Commun. 2014, 5, 4065.
5. V. Vaijayanthimala, O. Shenderova et al. Expert Opin. Drug Deliv. 2015, 12, 735.
6. L. Rogers, F. Jelezko et al. Phys. Rev. B 2014, 89, 235101.
7. U.Jantzen, F. Jelezko et al. New J. Phys. 2016, 18(7), 073036.
8. K. Li, W. B. Gao et al. Phys. Rev. Appl. 2016, 6, 024010.
9. L. Rogers, F. Jelezko et al. Nat. Commun. 2014, 5(1), 4739.
