GeV-DLSPPW-plattformens effektivitet jämfört med andra hybridkvantsystem, a) beroendet av den simulerade plasmoniska sönderfallshastigheten observerades för det DLSPPW-kopplade GeV-centret. Insatsen visade tvärsnittet av en y-orienterad dipolsändare belägen inom DLSPPW-vågledaren, b) distributionsprofil för emissionseffektiviteten (β-faktor) för en distribution inuti GeV-centret inom en nanodiamant, där varje färgad kvadrat representerade det centrala värdet för motsvarande dipolposition i planet, c) meritvärde (FOM) och transmissionslängd för hybridkvantplasmoniska system av GeV-DLSPPW på Ag-kristallen jämfört med andra hybridsystem för kvantemitterplasmoniska vågledare (QE PW). Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Kvantemitter kan integreras i monolitiska plasmoniska kretsar i nanoskala via plasmoniska konfigurationer med låg förlust för att begränsa ljus långt under diffraktionsgränsen. I integrerad kvantplasmonik, vågledare baserade på ytplasmonpolariton (SPP)-moder som sprider elektromagnetiska vågor längs metall-dielektriska eller metall-luft-gränssnitt är överlägsna dielektriska baserade (och därför diffraktionsbegränsade) fotoniska vågledare. Observationen gäller den tillgängliga Purcell-förbättringen från inbäddade kvantemitter och den pågående trenden mot integrering och miniatyrisering på chip för att realisera optisk signalbehandling och integrerade kretsar. Olika metall-dielektriska konfigurationer har utvecklats för starka ljus-materia-interaktioner i skalan för den enda fotonen för att stödja utbredningen av plasmoniska moder begränsade bortom diffraktionsgränsen. Fastigheten kan göra det möjligt för unika möjligheter att designa högintegrerade fotoniska signalbehandlingssystem, sensorer och optiska bildtekniker med upplösning i nanoskala.
En mängd olika SPP-baserade strukturer som skapats tidigare inkluderar metall nanotrådar (NW), parallella NV, V-spår (VG) och wedge-vågledare som har visat en plasmonstyrning för potentiella kvanttillämpningar. Det praktiska förverkligandet av sådan integrerad kvantfotonik har förblivit svårfångad på grund av flera utmaningar, inklusive höga spridningsförluster av SPP-lägen och den begränsade kontrollen på enstaka kvantemitter. På senare tid, studier har nanotillverkat låga förluster, dielektriskt laddade SPP-vågledare (DLSPPW) strukturerade på en silverfilm för enkla kvantplasmoniska kretsar som består av inbäddade nanodiamanter med kvävevakanscentra.
Skriver nu in Ljusvetenskap och tillämpningar , Hamidreza Siampour och medarbetare har tagit ett steg framåt inom området integrerad kvantplasmonik genom att demonstrera on-chip-koppling mellan en enda fotonkälla och plasmonisk vågledare. I tillvägagångssättet, fysikerna konstruerade en nanodiamant med ett germanium vakanscentrum (GeV) som sänder ut enstaka fotoner, inbäddad inuti en plasmonisk vågledare sammansatt av dielektriskt väte silsesquioxan (HSQ) ovanpå ett lager av silver tillverkat med elektronstrålelitografi. När ett grönt laserljus (532 nm) kopplades till ena änden av vågledaren via gitterkopplare för att spridas till nanodiamanten, det gladde GeV-centret, som avgav en enda foton som kopplade in i vågledarens plasmonläge. I arbetet, forskarna uppnådde långa vågledartransmissionslängder (33 µm) och effektiv koppling (56 procent) för att öppna nya vägar i utvecklingen av chipbaserade kvantkretsar.
Transmission av grönt laserljus (532 nm) längs den plasmoniska vågledaren med låg förlust, a) SEM-bild av en enkristallin flinga (överst) och tillverkad DLSPP-vågledare ovanpå Ag-plattan (botten), b) optisk karakterisering av vågledaren för parallella (topp) och vinkelräta (botten) polarisationer av 532 nm laserljus, c) ljusfältsmikroskopbilder av de tillverkade vågledarna av olika längder på Ag-flingan (infällt visar en bild av gitterkopplarna i slutet av vågledarna som används för att maximera inkopplingseffektiviteten hos DLSPPWs), d) uppmätt utbredningslängd på 11,8 µm för DLSPPW på Ag-flingan vid 532 nm. Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Studien var den första som detaljerade syntesen och karakteriseringen av GeV nanodiamanterna. Nanodiamanterna tillverkades med hjälp av högtrycket, hög temperatur (HPHT) metod; Ge introducerades under tillväxtprocessen för att införliva enstaka GeV-center. Forskarna föreslog och demonstrerade en hybridmetod för nanotillverkning med DLSPPW strukturerad på enkla silver (Ag) kristaller som avsevärt sänkte SPP-dämpningshastigheten, jämfört med Ag-filmer tillverkade med andra tekniker. Metoden underlättade tillräckligt lång SPP-utbredning vid excitations- och emissionsvåglängderna för GeV-centra i nanodiamanter inkorporerade i ett plasmoniskt chip.
Strukturen av den syntetiska GeV nano och mikrodiamanter observerades i råprovet med hjälp av svepelektronmikroskopi (SEM) och transmissionselektronmikroskopi (TEM). Syntetiska nanodiamanter spinnbelades på Ag-belagda kiselskivor och skannades med konfokal fluorescensmikroskopi. Uppmätta data indikerade ultraljus, spektralt smala och stabila enstaka fotonkällor baserade på enstaka GeV-centra i nanodiamanterna, lämplig för högintegrerade kretsar. Polarisationsegenskaperna hos GeV nanodiamanterna mättes med hjälp av en analysator i detektionsvägen för att bestämma projektionen av enstaka fotoner som emitteras på ytplanet. Data som mäts för en enda GeV nanodiamant passar modellens polarisationsegenskaper för diamantfärgcentra baserade på grupp-IV-element i det periodiska systemet (t.ex. kisel-vakans SiV, germanium-ledig GeV, och plåt vakans SnV).
Karakterisering av nanodiamanterna:a) SEM-bilder av GeV nano och mikrodiamanter av råprovet efter HPHT-syntes, TEM-bilden ses infälld. b) Ge-atomen är belägen i mitten av två tomma gitterplatser, som inkluderar inversionssymmetri, c) systemet inkluderar en elektronisk struktur och optiska övergångar som liknar grupp IV-familjen av diamantfärgcentra, d) den normaliserade fotonhastigheten för en enda GeV nanodiamant i Ag-planet kontra analysatorvinkeln, uppmätt (prick) och modellpassning (solid). Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Den observerade kapaciteten för singelfotonemission i diamantnanokristaller kan möjliggöra hybrida kvantplasmoniska system som kan underlätta fjärrexcitering av GeV-centra som ingår i ett plasmoniskt chip. Siampour et al. elegant demonstrerade den effektiva långdistansleveransen av GeV-DLSPPW-systemet jämfört med andra hybridkvantplasmoniska system. Ett exceptionellt meritvärde (FOM) på 180 avslöjades i studien på grund av en ~sexfaldig Purcell-förbättring, 56 procent kopplingseffektivitet och ~33 µm transmissionslängd vid en våglängd ( λ ) av 602 nm.
Elektronstrålelitografi användes för att tillverka vågledarna med HSQ-resist på Ag-belagda substrat för att innehålla nanodiamanterna med enstaka GeV-centra - lagts till via kontrollerad placering i enheten. Tekniken gav ~30 nm precision vid placering, förbättras via observationer med SEM-avbildning, begränsad av storleken på nanodiamanter, som skulle kunna tillverkas ner till 1 nm med hjälp av befintlig diamantsyntetisk teknologi. Den tillverkade vågledaren visualiserades med atomkraftsmikroskopi (AFM) och med en laddningskopplad enhet (CCD) kamera efter nanodiamond excitation via en grön pumplaser.
On-chip excitation av en enda GeV nanodiamond (ND) tilldelad via kontrollerad placering i en enhet tillverkad med väte silsesquioxan (HSQ) ovanpå Ag-film a) provlayouten och arbetsprincipen för direkt excitation av en GeV nanodiamant inbäddad i en plasmonisk vågledare, b) AFM-bild av den tillverkade vågledaren (vänster), CCD-bild av hela strukturen där nanodiamanten är exciterad (höger). De tre platserna ND, A och B visade excitation och emission av GeV-sändaren (ND) samt koppling av GeV till DLSPPW-läget, utbredning och utkopplad strålning från de två ändarna (A och B). Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Dessutom, författarna använde en enda kristallin Ag-flinga istället för Ag-film för att avsevärt förbättra DLSPPW-utbredningslängden. Grönt laserljus som sänds genom DLSPPW-läget karakteriserades optiskt som polarisering längs vågledaraxeln. Transmissionen mättes för flera vågledare av varierande längder för att visa extraordinära utbredningslängder (~11,8 µm) för det gröna laserljuset genom DLSPPW med låg förlust.
Schematisk illustration av enhetens layout och arbetsprincip för excitation på chip av en nanodiamant. Nanodiamanten bär spektralt smala enkla GeV-kvantemitters inbäddade i en DLSPP-vågledare. Kredit:Light Science &Applications, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Med en liknande uppställning, forskarna fortsatte med att demonstrera och bekräfta fjärrexcitering av GeV-centret kopplat till DLSPPW-läget. Senare, GeV-avklingningshastigheten simulerades med användning av finita elementmodelleringsmetoden (FEM) och en avklingningshastighet på upp till fyra gånger förutspåddes för ett GeV-centrum i vågledaren jämfört med dess emission i vakuum. Systemet visade överlägsen prestanda jämfört med tidigare demonstrerade system, den observerade Purcell-faktorn kan förbättras ytterligare i framtida studier genom att använda ett dielektriskt brytningsindex med större brytningsindex som titandioxid (TiO) 2 ).
Studien öppnar vägen för att integrera en excitationslaser, kvantemitter och plasmonisk krets på samma chip. Tidigare strategier har visat detektering av enstaka plasmoner och tvåplasmoninterferens på ett chip. Genom att kombinera alla tre teknologierna på ett enda chip, författarna föreställer sig att det kommer att vara möjligt att integrera alla element i en kvantplasmonisk krets på ett chip inom en snar framtid.
© 2018 Phys.org
