2023 Fiscal Year Research-status Report
Control of spin properties of Lead vacancy center in diamond
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23KJ0931
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| Research Institution | Tokyo Institute of Technology |
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Principal Investigator |
WANG PENG 東京工業大学, 工学院, 特別研究員(DC2)
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| Project Period (FY) |
2023-04-25 – 2025-03-31
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| Keywords | Quantum network / Single quantum emitter / Lead vacancy center / Transform limit / Phonon interaction |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ダイヤモンド中のIV族空孔センターは、発光がゼロフォノン線（ZPL）に集中していることや外部からの電気ノイズに強いことから、量子ネットワーク中の量子ノードとして期待されている。その中でも、鉛空孔（PbV）センターは他のIV族空孔センターと比べてより高い温度でミリセカンド単位のスピンコヒーレンス時間を達成できると理論的に予測されている。本研究では、ダイヤモンド中のPbVセンターを用いた量子ノードの実用化に向けて、PbVセンターのスピン特性を評価することを目的とする。
そのスピン特性を評価するには、スピン状態への確実なアクセスと制御が必要である。しかし、負電荷を持つPbVセンターの電子構造は、1/2スピン配置の4準位量子系を生じ、通常のフォトルミネッセンス検出ではスピン状態を正確に区別することが困難である。そのため、共鳴励起を用いてPbVセンターの量子状態を選択的に励起・検出することがスピン測定の前提条件となる。
イオン注入と2000度以上の高温高圧アニールによりPbV試料を作製し、波長可変色素レーザーを用いた共鳴励起によっPbVセンターを高分解能で検出することに成功した。また、単一PbVセンターの蛍光寿命から決まる自然線幅に近い発光線幅を観測することにも成功した。繰り返しスキャンを行った結果、スペクトル拡散が少なく時間的な変動が小さい発光が得られ、量子状態への安定したアクセスが可能であることが示された。PbVセンターからの自然線幅に近い光子の放出は10K以上でも観測され、これはNVセンターや他のIV族空孔センターよりも高い。この結果は、PbVセンターにおける電子-フォノン相互作用が強く抑制されていることを示しており、スピンのコヒーレンス時間が比較的長いことが予測される。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
PbVセンターのスピン物性測定の前提として、その光学遷移の共鳴励起が今年実現した。
しかし、PbVセンターの蛍光スペクトルは550nm付近にあるため、固体ベースの波長可変レーザーでは共鳴励起の要求を満たすことが難しい。そこで、我々は高出力グリーンレーザーで駆動する色素レーザーを導入した。正確な励起波長は、高分解能波長計でリアルタイムにモニターされており、、フォトルミネッセンス励起分光の分解能は1MHzに達している。
さらに、顕著なスペクトル拡散のない安定した発光が観測され、ロックインシステムを用いた単一PbVセンターでの連続共振励起への道が拓かれた。その結果、特定の遷移への光アクセスが比較的長い時間スケールで実現できるようになった。
しかし、当初から予想されていたように、スピン特性の測定には2つの大きな課題がある。第一の課題は、外部磁場とダイヤモンド中のPbVセンターの対称軸のずれである。我々の実験システムは、設置したダイヤモンド試料に対して垂直方向にしか磁場を印加しないため、磁場の向きを変えることができない。付け加えて、現在製作されているダイヤモンド試料はすべて(001)方向であるため、(111)のPbVセンターの主軸に対して54.7度のずれが生じている。(111)に対する垂直磁場はスピン状態の混合に寄与するため、スピン緩和時間とスピンコヒーレンス時間の両方が大幅に減少する。第二の課題は、マイクロ波によるPbVセンターのスピン状態の制御は効率が悪いことである。外部磁場が印加されると、スピン-軌道相互作用により、最低二つのエネルギー準位は異なる軌道成分を持つ。一方、マイクロ波によって誘起される遷移は軌道保存的であるため、駆動効率が劇的に低下する。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、先に挙げた2つの大きな課題の解決に注力するとともに、量子ネットワーク応用に向けたPbVセンターの研究を拡張していく。
磁場とPbVセンターの対称軸のファインアライメントを実現するために、(111)ダイヤモンド基板を採用する。これにより、余分な垂直磁場を導入することなくアライメントが期待できる。完全に整列したPbVセンターは、偏光測定で見分けることができる。その後、スピン初期化のためのわずかなスピンミックスを生成するために垂直磁場が多少必要なことから、1～2度程度のオフ角でダイヤモンド上にレーザーエッチングを行う。
一方、劣悪なマイクロ波駆動効率は、歪み工学によって改善される。ダイヤモンド内部のひずみはPbVセンターへの摂動として機能し、ヤーンテラー効果によって軌道状態のわずかな混合をもたらす。PbVセンターにおける非常に強いスピン軌道相互作用を考慮すると、十分なマイクロ波駆動を得るためには500GHzを超えるひずみが必要である。 ダイヤモンドと石英ガラスの層が密着することで、このミッションが達成されると期待される。10K付近まで冷却すると、これら2つの材料の熱膨張係数の違いにより、ダイヤモンド試料に引張ひずみが生じる。そして、観測された基底状態の分裂から、PbVセンターのひずみを導き出すことができる。また、光子放出の高分解能検出の現在の進展に基づき、2光子干渉の検査を行う。離れた2つのPbVセンターからの光子が区別できないことは量子もつれの核心であり、Huang Ou Mandel干渉によって検査される。2つの極低温光学検出システムは5メートル離れており、2つのPbVセンターから放出された光子は15メートルのファイバーを通り、自由空間干渉セットアップで測定される。このような実験は、ダイヤモンド中のPbVセンターの量子ネットワーク応用にとって重要なステップである。
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[Presentation] Transform-limited Single Photon Emission from a Lead-vacancy Center in Diamond2023
Author(s)
Peng Wang, Lev Kazak, Katharina Senkalla, Petr Siyushev, Ryotaro Abe, Takashi Taniguchi, Shinobu Onoda, Hiromitsu Kato, Toshiharu Makino, Mutsuko Hatano, Fedor Jelezko, and Takayuki Iwasaki,
Organizer
33rd International Diamond and Conference on Carbon Materials
Int'l Joint Research
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