CC BY
88-10 декабря 2020 г.
Низкотемпературная люминесценция
одиночных SiV-центров в индивидуальных CVD наноалмазах
12 2 Пастернак Д.Г. , Даи Д. , Калашников Д.А. ,
Мартьянов А.К.1, Седов В.С.1
1-Институт общей физики им. А.М.. Прохорова Российской академии наук
2- Институт материаловедения и машиностроения A*STAR Сингапур
(Agency for Science, Technology and Research (A*STAR), Singapore)
Е-mail: dg.pasternak@physics. msu. ru
Отрицательно заряженный комплекс кремний-вакансия (SiV) является одним из центров окраски в алмазе наиболее перспективных для применения в квантовой обработке информации и зондирования. В настоящее время усилия по разработке наноалмазов (НА) с SiV для квантовых применений сосредоточены на производстве и характеризации индивидуальных наночастиц с одиночными центрами окраски типа SiV [1]. Многообещающим подходом к реализации квантовых сетей на основе SiV в наномасштабе является использование НА ансамблей с встроенными SiV центрами. В этом случае, несмотря на то, что частоты излучения SiV лишь незначительно отличаются друг от друга из-за локальных внутренних напряжений, к ним возможно индивидуальное обращение при резонансном лазерном возбуждении и криогенной температуре [2].
В данной работе исследуется фотолюминесценция (ФЛ) SiV в двух типах индивидуальных CVD-нанокристаллов алмаза. Первый был синтезирован с использованием детонационных (DND) затравочных НА размером 5 нм ("seeding"), а второй - в режиме спонтанной нуклеации ("spontaneous"). Размеры кристаллитов, выращенных в течение 5 мин имели размер менее 100 нм. Мы исследовали спектры ФЛ, измеренные при нерезонансном возбуждении 660 нм в спектральном диапазоне 700-780 нм для seeding и spontaneous НА. В диапазоне 730-750 нм показано наличие нескольких спектральных линий, указывающих на то, что исследуемые НА содержат небольшое количество одиночных SiV-центров. Причём их оптические переходы расположены в
ЛАЗЕРНАЯ ФИЗИКА И ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА
определенном частотном диапазоне из-за наличия локальных внутренних напряжений в кристаллах. Далее для «seeding»- и «spontaneousw-НА были записаны спектры ФЛ SiV-центров при резонансном лазерном возбуждении при 15 К.
Мы сканировали одиночные спектральные линии тонкой структуры SiV и показали, что значения FWHM находятся в диапазоне 1-2 ГГц (1.9-4.1 пм) для «spontaneousw-НА и 15-30 ГГц (27-55 пм) для «seedingw-НА. Была обнаружена высокая поляризационная чувствительность спектральных линий SiV центров. Это подтверждает, что линии действительно соответствуют одиночному SiV переходу. По литературным данным естественная ширина линии SiV-центра составляет около 400 МГц при 15 К [3]. В «spontaneous»-HA ширина линии в 2.5-5 раз больше этого значения.
738.1) птп
7Ж5 п in
15 К
X;
1 GHz
<100 inn ^Г
CVD ^ e
Nanodiamond With 10-20 SiVs 1
e ® © ® G
Resonant Laser Excitation
Рис. 1. Спектр излучения одиночного 81У центра в индивидуальной алмазной СУБ-наночастице с размерами <100 нм Таким образом, наши результаты показывают, что уменьшение размера частиц СУБ-алмаза ниже 100 нм практически не влияет на ширину оптических переходов одиночных 81У-центров. В отличие от «8роп1апеош»-НА «8ее&炙-НА демонстрируют на порядок большую ширину линии. Также было установлено, что число 81У-
8-10 декабря 2020 г.
центров в диапазоне 730-750 нм не превышает 20 для <«роп1апеош»-НА. По приблизительным оценкам, проведенным для десяти частиц, число 81У-центров в них колеблется в пределах от 10 до 20.
«8роп1апеош»-НА с < 20 81У-центрами (см. Рисунок 1), исследованные в этой работе, могут быть легко интегрированы в оптические устройства на кристалле и использоваться в качестве компонентов квантовых сетей [4].
Авторы выражают благодарность научным руководителям Ральченко В.Г., Кривицкому Л.А. и Власову И.И. за помощь в экспериментах и ценные советы.
1. Rogers L., Wang O., Liu Y., et al. Phys. Rev. Appl. 2019, 11, 024073.
2. Sipahigil A., Evans R., Sukachev D., et al. Science 2016, 354, 847.
3. Jahnke K., Sipahigil A., Binder J., et al. New J. Phys. 2015, 17, 043011.
4. Alagappan G., Krivitsky L., Png C., ACS Omega 2018, 3, 4733.
