A Solid-State Single Photon Source Based on Color Centers in Diamond

Eine zuverlässige, effiziente und kostengünstige
Einzelphotonenquelle ist eine wichtige Komponente in vielen
Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung und
Quantenkommunikation. Einzelphotonenquellen wurden schon in
Experimente der Quantenkryptographie eingesetzt und haben Vorteile
gegenüber abgeschwächten Laserpulsen gezeigt. Eine
Einzelphotonenquelle ist auch eine der notwendigen Voraussetzungen
für einen optischen Quantencomputer nach Vorschlag von Knill,
Laflamme und Milburn. Darüber hinaus sind einzelne Photonen der
ideale Kandidat um das Grundprinzip der Quantenmechanik zu
demonstrieren. Deshalb ist eine Einzelphotonenquelle auch
wünschenswert für bildungszweck. Das in dieser Arbeit untersuchte
Konzept für eine Einzelphotonenquelle basiert auf den Farbzentren
im Diamant. Farbzentren sind eine attraktive Wahl für die
praktischen Anwendungen wegen des relativ geringen experimentellen
Aufwands. In dieser Arbeit wurde das SiV (silicon vacancy) Zentrum
ausführlich untersucht, weil es mehrere vorteilhafte Eigenschaften
hat, z.B. das schmales Spektrum und die kurze
Lumineszenzlebensdauer. Die SiV-Zentren wurden durch
Silizium-Ionenimplantation im IIa-Diamant erzeugt. Einzelne
SiV-Zentren wurden durch ein konfokales Mikroskop optisch
adressiert. Die Emission einzelner Photonen wurde durch die Messung
der Intensitätskorrelationsfunktion nachgewiesen. Allerdings zeigt
ein einzelnes SiV-Zentrum eine weiter niedrigere
Photonenemissionsrate als erwartet. Es liegt auf einer Seite an
einer schlechten Quantenausbeute wegen nicht-strahlender Übergänge.
Andererseits existiert ein zusätzliches metastabiles Niveau im
Energieschema des SiV-Zentrums. Das metastabile Niveau wurde als
der positive Ladungszustand identifiziert. Durch Manipulation des
Fermi-Niveaus im Diamant mit Stickstoff-Ionenimplantation kann die
Population des positiven Ladungszustands eliminiert werden. Außer
dem SiV-Zentrum wurden mehrere unbekannte einzelne Farbzentren
gefunden und charakterisiert. Eine andere wichtige Angelegenheit
ist das effiziente Aufsammeln der Fluoreszenz einzelner
Quantenemitter. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden untersucht.
Mit einer direkt auf Probe gesetzten Diamant Halbkugellinse wurde
eine Erhöhung von der Aufsammeleffizienz um einen Faktor 5
erreicht. Wenn die Größe der Kristalle deutlich kleiner als die
Wellenlänge der Fluoreszenz, tritt keine Brechung auf dem Übergang
zwischen Diamant und Luft auf. Deswegen wurden einzelne SiV-Zentren
in Diamantnanokristallen auch untersucht. Dabei wurde stärkere
Fluoreszenzintensität observiert.