Coupling of Quantum Emitters in Nanodiamonds to Plasmonic Structures

摘要

Denne PhD-afhandling beskriver arbejdet med forstærkning og effektiv kanalisering af fotoner emitteret fra en enkelt-foton-kilde. Den anvendte emitter, nitrogen-vakance (NV) centeret, er et defektcenter i diamant. NV-centret har mange unikke egenskaber såsom lang kohærenstid af dets elektron-spin-tilstande og muligheden for optisk at aflæse dets spintilstand, hvilket gør det nyttigt til kvanteberegningsanvendelser. Effektiv kanalisering i kombination med forstærkning af emission fra NV-centeret vil være nyttigt i anvendelser inden for kvanteoptik såvel som i andre anvendelser så som højpræcisionsmålinger af magnetfelter.Til forstærkning og kanalisering af emission fra NV-centret benyttes i dette arbejde metalliske bølgeledere. De elektromagnetiske bølger ledes i grænsefladen mellem dielektrikum og metalliske overflader i sådanne bølgeledere. Disse elektromagnetiske bølger betegnes overflade-plasmon-polaritoner. De metalliske bølgeledere, også kaldet plasmoniske bølgeledere, kan indskrænke lyset langt udover diffraktionsgrænsen for dielektriske bølgeledere. Denne indskrænkning af lyset muliggør forstærkning og kanalisering af emissionen fra en emitter ind i en plasmonisk bølgeleder.Plasmoniske bølgeledere kan have mange strukturer, som for eksempel silver bølgeledere med cirkulære tværsnit og to bølgeledere med cirkulære tværsnit med en spalte mellem sig, som kan lede og indskrænke lys. Distributionen af det elektromagnetiske felt af en plasmonisk mode afhænger af strukturen. Koblingen mellem en emitter og den plasmoniske mode afhænger af indskrænkningen af den plasmoniske mode. Koblingen mellem nogle få af de mange mulige plasmoniske strukturer og et enkelt NV-center er præsenteret i denne afhandling.Kobling mellem et enkelt NV-center og en enkel sølvnanotråd opnåedes. Grundet koblingen mellem emitteren og den plasmonisk bølgeleder blev henfaldsraten af emitteren forstærket. En forstærkning af henfaldsraten af NV-centeret med en faktor 4,6 blev observeret i dette tilfælde. Ved brug af en spalte-mode fra to parallelle sølvnanotråde til kobling til NV-centeret blev en henfaldsrateforstærkning på en faktor 8,3 observeret. Koblingen af NV-centeret til den plasmoniske mode af sølvnanotrådene ved at placere emitteren ved enden af en nanotråd og i spalten af to ende-til-ende lineærede nanotråde er også beskrevet. Alle disse koblede systemer var konfigureret ved brug af et Atomic Force Microscope (AFM) ved at manipulere nanodiamanterne indeholdende NV-centre og sølvnanotrådene. Sølvnanotrådene benyttet til disse eksperimenter var kemisk syntetiseret.Foruddefinerede sølvstrukturer blev fremstillet med fokuseret ionstråle (FIB) fræsning af kemisk fremstillede enkelt-krystallinske sølv-nanoplates. Sølvnanotrådene fremstillet ved anvendelse af denne teknik blev karakteriseret optisk, og udbredelse af plasmoner blev observeret. Sølvnanotråde blev også fremstillet ved udskæring fra sølv nanoplates med spidsen af en AFM kantilever, som derefter blev anvendt til kobling til et NVcenter.Plasmoniske bølgeledere har højt udbredelsestab, hvilket gør det nødvendigt at koblefotoner kanaliseret fra en emitter videre ind i en dielektrisk bølgeleder. Numeriske simuleringer af den evanescente feltkobling mellem en plasmonisk bølgeleder og en dielektrisk bølgeleder estimerer at de to bølgeledere kan kobles med et koblingstab på ca. 30 procent. Evanescent feltkobling mellem to plasmoniske bølgeledere, som kan være brugbart i forbindelse med al slags kvanteplasmonteknologi, er også blevet studeret.