Eficiencia de la plataforma GeV-DLSPPW en comparación con otros sistemas cuánticos híbridos, a) se observó la dependencia de la tasa de desintegración plasmónica simulada para el centro de GeV acoplado a DLSPPW. El recuadro mostraba la sección transversal de un emisor dipolo orientado y ubicado dentro de la guía de ondas DLSPPW, b) perfil de distribución de la eficiencia de emisión (factor β) para una distribución dentro del centro GeV dentro de un nanodiamante, donde cada cuadrado de color representaba el valor central de la correspondiente posición del dipolo en el plano, c) figura de mérito (FOM) y longitud de transmisión de sistemas híbridos plasmónicos cuánticos de GeV-DLSPPW en el cristal de Ag en comparación con otros sistemas híbridos de guías de ondas plasmónicas emisoras cuánticas (QE PW). Crédito:Ciencias de la luz y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
Los emisores cuánticos se pueden integrar en circuitos plasmónicos monolíticos a nanoescala mediante configuraciones plasmónicas de baja pérdida para confinar la luz muy por debajo del límite de difracción. En plasmónicos cuánticos integrados, Las guías de onda basadas en modos de polaritón de plasmón de superficie (SPP) que propagan ondas electromagnéticas a lo largo de interfaces metal-dieléctrico o metal-aire son superiores a las guías de onda fotónicas basadas en dieléctrico (y por lo tanto con difracción limitada). La observación se refiere a la mejora Purcell disponible de los emisores cuánticos integrados y la tendencia actual hacia la integración y miniaturización en el chip para realizar el procesamiento de señales ópticas y los circuitos integrados. Se han desarrollado diferentes configuraciones metal-dieléctricas para fuertes interacciones luz-materia a la escala del fotón único para apoyar la propagación de modos plasmónicos confinados más allá del límite de difracción. La propiedad puede permitir a prospectos únicos diseñar sistemas de procesamiento de señales fotónicas altamente integrados, sensores y técnicas de imagen óptica con resolución a nanoescala.
Una variedad de estructuras basadas en SPP creadas en el pasado incluyen nanocables metálicos (NW), NW paralelos, Ranuras en V (VG) y guías de onda de cuña que han demostrado una guía de plasmón único para posibles aplicaciones cuánticas. La realización práctica de dicha fotónica cuántica integrada ha sido difícil de alcanzar debido a varios desafíos, incluidas las altas pérdidas de propagación de los modos SPP y el control limitado de emisores cuánticos únicos. Más recientemente, Los estudios han fabricado nanofabricados de baja pérdida, Guías de ondas SPP cargadas con dieléctrico (DLSPPW) estructuradas en una película de plata para circuitos plasmónicos cuánticos simples compuestos de nanodiamantes incrustados con centros de vacantes de nitrógeno.
Ahora escribiendo en Ciencias de la luz y aplicaciones , Hamidreza Siampour y sus colaboradores han dado un paso adelante en el campo de la plasmónica cuántica integrada al demostrar el acoplamiento en chip entre una única fuente de fotones y una guía de ondas plasmónicas. En el enfoque, los físicos diseñaron un nanodiamante con un centro de vacancia de germanio (GeV) que emite fotones individuales, incrustado dentro de una guía de onda plasmónica compuesta de silsesquioxano de hidrógeno dieléctrico (HSQ) encima de una capa de plata fabricada mediante litografía por haz de electrones. Cuando se acopló una luz láser verde (532 nm) a un extremo de la guía de ondas mediante acopladores de rejilla para propagarse al nanodiamante, emocionó al centro GeV, que emitió un solo fotón que se acopló en el modo plasmón de la guía de ondas. En el trabajo, los investigadores lograron longitudes de transmisión de guías de onda largas (33 µm) y un acoplamiento eficiente (56 por ciento) para abrir nuevas vías en el desarrollo de circuitos cuánticos basados en chips.
Transmisión de luz láser verde (532 nm) a lo largo de la guía de onda plasmónica de baja pérdida, a) Imagen SEM de una única escama cristalina (arriba) y una guía de ondas DLSPP fabricada encima de la placa de Ag (abajo), b) caracterización óptica de la guía de ondas para polarizaciones paralelas (arriba) y perpendiculares (abajo) de luz láser de 532 nm, c) imágenes de microscopía de campo claro de las guías de ondas fabricadas de diferentes longitudes en la escama de Ag (el recuadro muestra una imagen de los acopladores de rejilla al final de las guías de ondas utilizadas para maximizar la eficiencia de acoplamiento de los DLSPPW), d) longitud de propagación medida de 11,8 µm para el DLSPPW en la escama de Ag a 532 nm. Crédito:Ciencias de la luz y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
El estudio fue el primero en detallar la síntesis y caracterización de los nanodiamantes GeV. Los nanodiamantes se produjeron utilizando alta presión, método de alta temperatura (HPHT); Ge se introdujo durante el proceso de crecimiento para incorporar centros únicos GeV. Los científicos propusieron y demostraron un enfoque híbrido para la nanofabricación utilizando DLSPPW estructurado en cristales simples de plata (Ag) que redujeron considerablemente las tasas de amortiguación de SPP. en comparación con las películas de Ag fabricadas mediante otras técnicas. El método facilitó una propagación de SPP suficientemente larga en las longitudes de onda de excitación y emisión de los centros de GeV en nanodiamantes incorporados dentro de un chip plasmónico.
La estructura de los nano y microdiamantes sintéticos GeV se observó en la muestra sin procesar utilizando microscopía electrónica de barrido (SEM) y microscopía electrónica de transmisión (TEM). Se revistieron por centrifugación nanodiamantes sintéticos sobre obleas de silicio recubiertas con Ag y se escanearon con microscopía de fluorescencia confocal. Los datos medidos indicaron ultrabrillante, fuentes de fotón único espectralmente estrechas y estables basadas en centros de GeV únicos en los nanodiamantes, Adecuado para circuitos altamente integrados. Las características de polarización de los nanodiamantes GeV se midieron utilizando un analizador en la ruta de detección para determinar la proyección de fotones individuales emitidos en el plano de la superficie. Los datos medidos para un solo nanodiamante GeV se ajustan a las características de polarización del modelo de los centros de color del diamante basados en elementos del grupo IV en la tabla periódica (por ejemplo, silicio-vacancia SiV, germanio-vacante GeV, y vacante de estaño SnV).
Caracterización de los nanodiamantes:a) Imágenes SEM de los nano y microdiamantes GeV de la muestra bruta después de la síntesis HPHT, la imagen TEM se ve insertada. b) el átomo de Ge está ubicado en el medio de dos sitios reticulares vacíos, que incluye simetría de inversión, c) el sistema incluye una estructura electrónica y transiciones ópticas similares a la familia del grupo IV de centros de color del diamante, d) la tasa de fotones normalizada para un solo nanodiamante de GeV en el plano Ag frente al ángulo del analizador, medida (punto) y ajuste del modelo (sólido). Crédito:Ciencias de la luz y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
La capacidad observada para la emisión de un solo fotón en nanocristales de diamante puede permitir sistemas híbridos cuántico-plasmónicos que pueden facilitar la excitación remota de los centros GeV incorporados en un chip plasmónico. Siampour y col. demostró elegantemente la entrega eficiente de largo alcance del sistema GeV-DLSPPW en comparación con otros sistemas plasmónicos cuánticos híbridos. En el estudio se reveló una cifra excepcional de mérito (FOM) de 180 debido a una mejora de Purcell de ~ seis veces, 56 por ciento de eficiencia de acoplamiento y ~ 33 µm de longitud de transmisión a una longitud de onda ( λ ) de 602 nm.
La litografía por haz de electrones se utilizó para fabricar las guías de ondas con resistencia HSQ en sustratos recubiertos de Ag para contener los nanodiamantes con centros de GeV únicos, agregados mediante la colocación controlada en el dispositivo. La tecnología proporcionó una precisión de ~ 30 nm en la colocación, mejorado a través de observaciones con imágenes SEM, limitado por el tamaño de los nanodiamantes, que podría fabricarse hasta 1 nm utilizando la tecnología sintética de diamantes existente. La guía de ondas fabricada se visualizó con microscopía de fuerza atómica (AFM) y con una cámara de dispositivo de carga acoplada (CCD) después de la excitación de nanodiamantes mediante un láser de bomba verde.
Excitación en el chip de un solo nanodiamante (ND) de GeV asignado mediante la colocación controlada en un dispositivo fabricado con silsesquioxano de hidrógeno (HSQ) sobre una película de Ag a) la disposición de la muestra y el principio de funcionamiento de la excitación directa de un nanodiamante de GeV incrustado en una guía de onda plasmónica, b) Imagen AFM de la guía de ondas fabricada (izquierda), Imagen CCD de toda la estructura donde se excita el nanodiamante (derecha). Los tres puntos ND, A y B mostraron excitación y emisión del emisor de GeV (ND), así como acoplamiento de GeV al modo DLSPPW, propagación y radiación desacoplada de los dos extremos (A y B). Crédito:Ciencias de la luz y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
Adicionalmente, los autores utilizaron una escama de Ag monocristalino en lugar de una película de Ag para mejorar significativamente la longitud de propagación de DLSPPW. La luz láser verde que se transmite a través del modo DLSPPW se caracterizó ópticamente como polarización a lo largo del eje de la guía de ondas. La transmisión se midió para varias guías de ondas de diferentes longitudes para mostrar longitudes de propagación extraordinarias (~ 11,8 µm) para la luz láser verde a través del DLSPPW de baja pérdida.
Ilustración esquemática del diseño del dispositivo y el principio de funcionamiento para la excitación en chip de un nanodiamante. El nanodiamante lleva emisores cuánticos de GeV únicos espectralmente estrechos incrustados en una guía de ondas DLSPP. Crédito:Ciencias de la luz y aplicaciones, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
Usando una configuración similar, los científicos procedieron a demostrar y confirmar la excitación remota del centro GeV acoplado al modo DLSPPW. Después, la tasa de desintegración de GeV se simuló utilizando el método de modelado de elementos finitos (FEM) y se predijo una tasa de desintegración de hasta cuatro veces para un centro de GeV en la guía de ondas en comparación con su emisión en el vacío. El sistema demostró un rendimiento superior en comparación con los sistemas previamente demostrados, El factor de Purcell observado se puede mejorar aún más en estudios futuros mediante el uso de un dieléctrico de índice de refracción más grande, como el dióxido de titanio (TiO 2 ).
El estudio abre el camino para integrar un láser de excitación, emisor cuántico y circuito plasmónico en el mismo chip. Las estrategias anteriores han demostrado la detección de plasmones individuales y la interferencia de dos plasmones en un chip. Al combinar las tres tecnologías en un solo chip, los autores prevén que será posible integrar todos los elementos de un circuito plasmónico cuántico en un chip en un futuro próximo.
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