Efficacité de la plateforme GeV-DLSPPW par rapport aux autres systèmes quantiques hybrides, a) la dépendance du taux de décroissance plasmonique simulé a été observée pour le centre GeV couplé DLSPPW. L'encart a montré la section transversale d'un émetteur dipôle orienté y situé dans le guide d'ondes DLSPPW, b) profil de distribution de l'efficacité d'émission (facteur β) pour une distribution à l'intérieur du centre GeV au sein d'un nanodiamant, où chaque carré coloré représentait la valeur centrale de la position du dipôle correspondante dans le plan, c) la figure de mérite (FOM) et la longueur de transmission des systèmes plasmoniques quantiques hybrides de GeV-DLSPPW sur le cristal Ag par rapport à d'autres systèmes hybrides de guides d'ondes plasmoniques à émetteur quantique (QE PW). Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Les émetteurs quantiques peuvent être intégrés dans des circuits plasmoniques nanométriques monolithiques via des configurations plasmoniques à faibles pertes pour confiner la lumière bien en dessous de la limite de diffraction. En plasmonique quantique intégrée, les guides d'ondes basés sur des modes de polariton de plasmon de surface (SPP) qui propagent les ondes électromagnétiques le long des interfaces métal-diélectrique ou métal-air sont supérieurs aux guides d'ondes photoniques à base diélectrique (et donc à diffraction limitée). L'observation concerne l'amélioration Purcell disponible à partir des émetteurs quantiques intégrés et la tendance actuelle à l'intégration et à la miniaturisation sur puce pour réaliser le traitement du signal optique et les circuits intégrés. Différentes configurations métal-diélectrique ont été développées pour de fortes interactions lumière-matière à l'échelle du photon unique afin de favoriser la propagation de modes plasmoniques confinés au-delà de la limite de diffraction. La propriété peut permettre à des prospects uniques de concevoir des systèmes de traitement de signaux photoniques hautement intégrés, capteurs et techniques d'imagerie optique avec une résolution à l'échelle nanométrique.
Une variété de structures à base de SPP créées dans le passé comprennent des nanofils métalliques (NW), NW parallèles, Des rainures en V (VG) et des guides d'ondes en coin qui ont démontré un guidage par plasmon unique pour des applications quantiques potentielles. La réalisation pratique d'une telle photonique quantique intégrée est restée insaisissable en raison de plusieurs défis, y compris les pertes de propagation élevées des modes SPP et le contrôle limité sur les émetteurs quantiques uniques. Plus récemment, des études ont nanofabriqué à faible perte, guides d'ondes SPP à charge diélectrique (DLSPPW) structurés sur un film d'argent pour des circuits plasmoniques quantiques simples composés de nanodiamants intégrés avec des centres de lacunes d'azote.
Maintenant en train d'écrire Science de la lumière et applications , Hamidreza Siampour et ses collaborateurs ont fait un pas en avant dans le domaine de la plasmonique quantique intégrée en démontrant le couplage sur puce entre une source de photons unique et un guide d'ondes plasmonique. Dans l'approche, les physiciens ont conçu un nanodiamant doté d'un centre de lacune de germanium (GeV) qui émet des photons uniques, intégré à l'intérieur d'un guide d'ondes plasmonique composé d'hydrogène silsesquioxane diélectrique (HSQ) au sommet d'une couche d'argent fabriquée par lithographie par faisceau d'électrons. Lorsqu'une lumière laser verte (532 nm) a été couplée à une extrémité du guide d'ondes via des coupleurs de réseau pour se propager au nanodiamant, il a excité le centre GeV, qui a émis un seul photon qui s'est couplé dans le mode plasmon du guide d'ondes. Dans le travail, les chercheurs ont obtenu de longues longueurs de transmission de guide d'ondes (33 µm) et un couplage efficace (56 %) pour ouvrir de nouvelles voies dans le développement de circuits quantiques à puce.
Transmission de la lumière laser verte (532 nm) le long du guide d'onde plasmonique à faibles pertes, a) Image SEM d'un flocon monocristallin (en haut) et d'un guide d'ondes DLSPP fabriqué au sommet de la plaque d'Ag (en bas), b) caractérisation optique du guide d'ondes pour les polarisations parallèles (en haut) et perpendiculaires (en bas) de la lumière laser à 532 nm, c) images de microscopie à fond clair des guides d'ondes fabriqués de différentes longueurs sur le flocon d'Ag (l'encart montre une image des coupleurs de réseau à l'extrémité des guides d'ondes utilisés pour maximiser l'efficacité de couplage des DLSPPW), d) longueur de propagation mesurée de 11,8 µm pour le DLSPPW sur la lamelle d'Ag à 532 nm. Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
L'étude a été la première à détailler la synthèse et la caractérisation des nanodiamants GeV. Les nanodiamants ont été produits en utilisant la haute pression, méthode à haute température (HPHT); Ge a été introduit au cours du processus de croissance pour incorporer des centres GeV uniques. Les scientifiques ont proposé et démontré une approche hybride pour la nanofabrication utilisant du DLSPPW structuré sur des cristaux d'argent (Ag) uniques qui ont considérablement réduit les taux d'amortissement du SPP, par rapport aux films d'Ag fabriqués par d'autres techniques. La méthode a facilité une propagation SPP suffisamment longue aux longueurs d'onde d'excitation et d'émission des centres GeV dans des nanodiamants incorporés dans une puce plasmonique.
La structure du nano et des microdiamants GeV synthétiques a été observée dans l'échantillon brut en utilisant la microscopie électronique à balayage (MEB) et la microscopie électronique à transmission (MET). Des nanodiamants synthétiques ont été déposés par centrifugation sur des plaquettes de silicium revêtues d'Ag et scannés par microscopie confocale à fluorescence. Les données mesurées ont indiqué ultrabrillant, des sources de photons uniques spectralement étroites et stables basées sur des centres de GeV uniques dans les nanodiamants, adapté aux circuits hautement intégrés. Les caractéristiques de polarisation des nanodiamants GeV ont été mesurées à l'aide d'un analyseur dans la voie de détection pour déterminer la projection de photons uniques émis sur le plan de surface. Les données mesurées pour un seul nanodiamant GeV correspondent aux caractéristiques de polarisation du modèle des centres de couleur du diamant basés sur les éléments du groupe IV dans le tableau périodique (par exemple, le silicium-lacune SiV, GeV à vide de germanium, et étain-vacance SnV).
Caractérisation des nanodiamants :a) Images MEB des nano et microdiamants GeV de l'échantillon brut après synthèse HPHT, l'image TEM est visible en médaillon. b) l'atome de Ge est situé au milieu de deux sites vides du réseau, qui inclut la symétrie d'inversion, c) le système comprend une structure électronique et des transitions optiques similaires à la famille des centres de couleur du diamant du groupe IV, d) le taux de photons normalisé pour un seul nanodiamant GeV dans le plan Ag en fonction de l'angle de l'analyseur, mesuré (point) et ajustement du modèle (solide). Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
La capacité observée d'émission de photons uniques dans les nanocristaux de diamant peut permettre des systèmes hybrides quantique-plasmonique qui peuvent faciliter l'excitation à distance des centres GeV incorporés dans une puce plasmonique. Siampour et al. a démontré avec élégance la livraison efficace à longue distance du système GeV-DLSPPW par rapport à d'autres systèmes plasmoniques quantiques hybrides. Une figure de mérite exceptionnelle (FOM) de 180 a été révélée dans l'étude en raison d'une amélioration de Purcell d'environ six fois, 56 % d'efficacité de couplage et ~33 µm de longueur de transmission à une longueur d'onde ( ?? ) de 602 nm.
La lithographie par faisceau d'électrons a été utilisée pour fabriquer les guides d'ondes avec une réserve HSQ sur des substrats revêtus d'Ag pour contenir les nanodiamants présentant des centres GeV uniques - ajoutés via un placement contrôlé dans le dispositif. La technologie a fourni une précision de placement d'environ 30 nm, amélioré via des observations avec l'imagerie SEM, limité par la taille des nanodiamants, qui pourrait être fabriqué jusqu'à 1 nm en utilisant la technologie de synthèse du diamant existante. Le guide d'ondes fabriqué a été visualisé par microscopie à force atomique (AFM) et avec une caméra à dispositif à couplage de charge (CCD) après excitation de nanodiamant via un laser à pompe vert.
Excitation sur puce d'un seul nanodiamant GeV (ND) attribué via un placement contrôlé dans un dispositif fabriqué avec de l'hydrogène silsesquioxane (HSQ) sur un film d'Ag a) la disposition de l'échantillon et le principe de fonctionnement de l'excitation directe d'un nanodiamant GeV intégré dans un guide d'ondes plasmonique, b) Image AFM du guide d'onde fabriqué (à gauche), Image CCD de l'ensemble de la structure où le nanodiamant est excité (à droite). Les trois spots ND, A et B ont montré l'excitation et l'émission de l'émetteur GeV (ND) ainsi que le couplage de GeV au mode DLSPPW, propagation et rayonnement découplé des deux extrémités (A et B). Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
En outre, les auteurs ont utilisé un flocon d'Ag monocristallin au lieu d'un film d'Ag pour améliorer considérablement la longueur de propagation du DLSPPW. La lumière laser verte transmise par le mode DLSPPW a été caractérisée optiquement comme une polarisation le long de l'axe du guide d'ondes. La transmission a été mesurée pour plusieurs guides d'ondes de différentes longueurs pour montrer des longueurs de propagation extraordinaires (~ 11,8 µm) pour la lumière laser verte à travers le DLSPPW à faible perte.
Illustration schématique de la disposition du dispositif et du principe de fonctionnement pour l'excitation sur puce d'un nanodiamant. Le nanodiamant porte des émetteurs quantiques à un GeV à spectre étroit intégrés dans un guide d'ondes DLSPP. Crédit :Science de la lumière et applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
En utilisant une configuration similaire, les scientifiques ont procédé à la démonstration et à la confirmation de l'excitation à distance du centre GeV couplé au mode DLSPPW. Ensuite, le taux de décroissance du GeV a été simulé à l'aide de la méthode de modélisation par éléments finis (FEM) et un taux de décroissance jusqu'à quatre fois a été prédit pour un centre de GeV dans le guide d'ondes par rapport à son émission dans le vide. Le système a démontré des performances supérieures par rapport aux systèmes précédemment démontrés, le facteur de Purcell observé peut être encore amélioré dans les études futures en utilisant un diélectrique à indice de réfraction plus grand tel que le dioxyde de titane (TiO
L'étude ouvre la voie à l'intégration d'un laser d'excitation, émetteur quantique et circuit plasmonique sur la même puce. Des stratégies antérieures ont démontré la détection de plasmons uniques et d'interférences à deux plasmons sur une puce. En combinant les trois technologies sur une seule puce, les auteurs envisagent qu'il sera possible d'intégrer tous les éléments d'un circuit plasmonique quantique sur une puce dans un futur proche.
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