eng
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2024.18.8.610.620
В данном обзоре рассматриваются различные способы создания однофотонных источников
(ИОФ). Задача генерации одиночных фотонов может решаться разными способами,
и на текущий момент среди них нет такого, который был бы существенно предпочтителен.
В первой части обзора обсуждались требования к однофотонным источникам и критерии характеризации источников. В первую часть обзора вошли источники одиночных фотонов на основе одиночных ионов и на основе одиночных атомов. Во второй части рассмотрены ИОФ на квантовых точках и на центрах окраски в кристаллах.
В данном обзоре рассматриваются различные способы создания однофотонных источников
(ИОФ). Задача генерации одиночных фотонов может решаться разными способами,
и на текущий момент среди них нет такого, который был бы существенно предпочтителен.
В первой части обзора обсуждались требования к однофотонным источникам и критерии характеризации источников. В первую часть обзора вошли источники одиночных фотонов на основе одиночных ионов и на основе одиночных атомов. Во второй части рассмотрены ИОФ на квантовых точках и на центрах окраски в кристаллах.
Источники одиночных фотонов. Обзор
Часть 2
В. Г. Криштоп
Институт проблем технологии микроэлектроники РАН, г. Черноголовка, Моск. обл., Россия. АО «ИнфоТеКС», Москва, Россия.
Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Моск. обл., Россия.
В данном обзоре рассматриваются различные способы создания однофотонных источников (ИОФ). Задача генерации одиночных фотонов может решаться разными способами, и на текущий момент среди них нет такого, который был бы существенно предпочтителен.
В первой части обзора обсуждались требования к однофотонным источникам и критерии характеризации источников. В первую часть обзора вошли источники одиночных фотонов на основе одиночных ионов и на основе одиночных атомов.
Во второй части рассмотрены ИОФ на квантовых точках и на центрах окраски в кристаллах.
Ключевые слова: квантовые точки, резонаторы для квантовых точек, перестраиваемые микрорезонаторы, центры окраски в алмазе, сбор излучения NV-центра, наноалмазы, СС-центры и G-центры в кремнии, вакансии в карбиде кремния
Статья поступила: 01.08.2024
Статья принята: 16.08.2024
Квантовые точки [65, 66]
Квантовая точка (quantum dot) – это искусственно созданная наноструктура, обладающая квантовыми свойствами. В полупроводниковой квантовой точке трехмерное движение электронов и дырок ограничено внутри низкоразмерной наноструктуры в трех измерениях, в результате чего образуются уровни размерного квантования, подобные атомным уровням. Переходы электронов между этими уровнями могут происходить с испусканием и поглощением фотонов, что позволяет реализовывать на квантовых точках источники фотонов как с оптической, так и с электрической накачкой.
Размеры квантовых точек обычно составляют от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. Это позволяет задавать их оптические и электронные свойства путем изменения их размеров.
При оптическом возбуждении электрон-дырочная пара создается за счет поглощения фотонов. Квантовая точка возбуждается лазером и после возбуждения электрон в квантовой точке переходит на более высокий энергетический уровень, образуя электрон-дырочную пару. После этого неравновесная электрон-дырочная пара анигилирует и излучает фотон. Этот процесс происходит таким образом, что каждый раз в процессе задействована только одна электрон-дырочная пара и излучается только один фотон.
В электрическом случае возбуждение создается путем дрейфа электрона и дырки из легированных областей прибора в квантовую точку. Благодаря эффекту кулоновской блокады, можно реализовать режим работы, при котором заряды могут проходить через квантовую точку контролируемо и только по одному за один раз. Такой режим называют электронным или фотонным турникетом [67].
Квантовые точки нашли широкое применение в различных областях, таких как оптика, фотоника, квантовые вычисления, криптография, медицина и солнечная энергетика. Квантовые точки, в которых возбуждается и аннигилирует ровно одна электрон-дырочная пара и испускается ровно один фотон, иногда называют «искусственными атомами» (так же, как и другие структуры с атомоподобными уровнями), такие точки хорошо подходят для истинно однофотонных источников.
В настоящее время наиболее эффективные однофотонные источники на основе квантовых точек сделаны с использованием полупроводников III–V. Квантовые точки на элементах III–V имеют большое значение оптического дипольного момента, приводящее к большой связи с ограниченными или управляемыми оптическими модами, что является ключевой особенностью в получении ярких источников. В то же время активно развиваются системы на основе II–VI материалов.
При выращивании квантовых точек, как правило, применяются стандартные микроэлектронные технологии: молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE – Molecular Beam Epitaxy) или химическое осаждение из газовой фазы (CVD – Chemical Vapor Deposition).
Молекулярно-лучевая эпитаксия – дорогая и трудоемкая технология, требующая высокоточного и дорогостоящего оборудования (машина MBE), но зато с ее помощью можно выращивать очень качественные структуры с хорошей повторяемостью. Осаждение из газовой фазы намного технологичнее с точки зрения промышленного производства и существенно дешевле, но достичь такого же качества, как с помощью MBE, невозможно. Кроме того, квантовые точки могут создаваться с помощью лазерной абляции или самоорганизации в «умных» материалах.
Квантовые точки могут работать при различных температурах, в зависимости от материала и конкретного дизайна. Чаще всего квантовые точки работают при гелиевой температуре: 4 К или ниже. Это необходимо для фиксации длины волны излучения, поскольку расщепление по энергии электрон-дырочной пары в квантовой точке невелико, что связано со слабым ограничивающим потенциалом из-за малой ширины запрещенной зоны полупроводников. Например, полупроводниковые квантовые точки на основе III–V соединений, таких как индий-селенид кадмия (CdSe) или индий-селенид галлия (GaAs), обычно требуют охлаждения до температур порядка 10–100 К (около –63 °C до –173 °C).
Однако существуют также квантовые точки, которые могут работать без охлаждения. Однофотонная электролюминесценция была продемонстрирована на квантовых точках при электрической накачке при комнатной температуре [68, 69]. Ряд исследований и разработок в этой области направлен на создание квантовых точек, которые сохраняют свои квантовые свойства при более высоких температурах, чтобы облегчить интеграцию в различные устройства и системы.
Базовые принципы технологии и применения квантовых точек описаны в обзоре [70]. Более детальную информацию о современном состоянии технологии однофотонных источников на основе эпитаксиальных квантовых точек можно найти в относительно недавних обзорах [65, 71, 72]. В заключение данного параграфа приведем сводную таблицу (табл. 2) из обзора [71] по однофотонным свойствам квантовых точек в зависимости от материала, со ссылками на соответствующие работы [73–99].
Резонаторы для квантовых точек
Помещение квантовой точки в резонатор может значительно повысить эффективность генерации одиночных фотонов. Благодаря эффекту Парселла, вероятность испускания фотона квантовой точкой в резонаторе, настроенном на нужную частоту, существенно выше, чем в свободном пространстве. Также, управляя частотой резонатора, можно реализовать источник «по требованию» – когда частота резонатора в точности соответствует энергии излучательного перехода источника, расположенного внутри резонатора, вероятность излучения фотона источником резко возрастает. И так же резко вероятность излучения падает, когда частота резонатора отстраивается от частоты источника.
Существует много способов реализовать систему квантовая точка-резонатор, которая может работать как источник одиночных фотонов. Проблема при использовании резонаторов состоит в том, что одиночные фотоны, взаимодействующие с линейными оптическими элементами, в резонаторе могут группироваться в многофотонные состояния, поэтому использование резонаторов накладывает дополнительные требования на управление таким источником. В частности, необходимо быстрое возбуждение таких источников, чтобы предотвратить эффект накопления, и необходима постимпульсная задержка, чтобы вероятность участия накопленного в резонаторе фотона в процессе испускания следующего была минимальна.
Типичными структурами резонаторов являются микростолбики [101–103], перестраиваемые микрорезонаторы [104, 105], фотонно-кристаллические волноводы [106–108], содержащие различные типы квантовых точек [99, 100].
Центры окраски в алмазе
Центры люминесценции в алмазе являются комбинацией дефектов кристаллической решетки и примесных атомов или молекул, в основном комбинацией примесных атомов и вакансий. На центрах окраски типа «примесь-вакансия» (SiV, NV, где буква V обозначает vacancy) возможно построить яркие однофотонные источники для квантовых информационных технологий, работоспособные при комнатной температуре.
В алмазе хорошо исследован одиночный центр окраски на основе азота, а именно азото-замещенная вакансия с отрицательным зарядом NV-. NV-центр имеет структуру в виде вакансии (дефекта кристаллической решетки в виде отсутствия атома в ее узле) и атома азота в ближайших узлах [114] (см. рис. 9). Алмазы с такими центрами встречаются в природе и обладают розовой окраской, но довольно редки и за счет этого отличаются высокой ценой на ювелирном рынке. Для создания однофотонных источников используются синтезированные наноалмазы, содержащие NV-центры.
На данный момент известно более 500 различных центров окраски в алмазе (color centers) с длинами волн эмиссии от среднего ИК (NIR) до видимого диапазона [115]. На данный момент были обнаружены центры окраски, связанные со следующими химическими элементами: H, He, Li, C, B, N, O, Ne, Si, P, Ti, Cr, Co, Ni, Zn, Ge, As, Zr, Ag, Xe, Ta, W, Tl, Er, Eu и т. д. [116]. Конфигурация и спектр центра окраски зависят от вакансионного окружения внедренного атома (возможность образования вакансионных центров типа A-V, AVAV, A-V2 и т. д.). Некоторые из известных центров окраски в алмазе обладают уникальными свойствами для квантовых и фотонных применений: высокостабильная флуоресценция одиночных центров при комнатной температуре с малой шириной бесфононной линии и высокая когерентность спиновых состояний этих центров [117].
Ведется активный поиск центров окраски с люминесценцией в более длинноволновой области спектра (>800 нм), т. к. устройства с данными центрами могут быть интегрированы в существующую телекоммуникационную оптоволоконную инфраструктуру. На данный момент самым длинноволновым остается центр окраски NE8 (793 нм), связанный с комплексами Ni-N [118].
Развитие методов синтеза алмаза приводит к тому, что становятся доступными технологии создания люминесцентных центров (преимущественно NV и SiV), интегрированных в подложки с масштабным размером на уровне пластин для микроэлектроники [119]. Также возможно контролируемое создание одиночных NV-центров в объемном алмазе с высоким структурным совершенством, выращенном методом синтеза при высоких давлениях и температурах [120]. Обзор [121] дает практическое представление о требованиях и условиях для создания алмаза с необходимыми химической чистотой и кристаллическим совершенством. Эти достижения в изготовлении материалов способствовали тому, что алмаз стал одним из наиболее перспективных твердотельных квантовых систем.
Сбор излучения NV-центра
Существенной технической проблемой при разработке и изготовлении однофотонных источников на основе монокристаллов алмаза является малая эффективность вывода излучения от NV-центра. Для плоской поверхности пластины угол полного внутреннего отражения составляет 24,50. Хотя NV-центр является достаточно ярким центром люминесценции, способным генерировать порядка 100 миллионов фотонов в секунду, через плоскую поверхность выйдет менее 5% всего излучения точечного центра, находящегося под поверхностью. Такая малая эффективность сбора фотонов обусловлена интерфейсом раздела алмаз-воздух. Алмаз обладает высоким коэффициентом преломления nалмаз = 2,4 (для сравнения показатель преломления кварца всего 1,4), поэтому на границе с воздухом, начиная с определенного угла падения, происходит полное внутреннее отражение, как это показано схематически на рисунке.
Комбинация с линзой повышает эффективность передачи однофотонного излучения в волокно, т. к. собирает излучаемые фотоны из телесного угла, близкого к 2π, и практически, эффективность ограничена только апертурой волокна. Теоретически эту эффективность можно удвоить, поставив отражатель на противоположной стороне волокна, например, брэгговскую решетку на частоте NV-центра или серебряное зеркало [122].
Создание иммерсионных линз над излучающими NV-центрами с помощью травления фокусированным ионным пучком позволяет увеличить сбор излучения до как минимум 10% и достичь частоты одиночных фотонов 1 МГц [123]. Данный метод был развит для упрощения технологии создания линз: были опробованы методы плазменного анизотропного травления линз через многослойные литографические маски [124] и методы естественного маскирования с помощью оксидных микрошариков [125].
В [126] описан процесс разработки и создания монолитной иммерсионной металинзы на основе френелевской оптики с наноструктурированой поверхностью.
Эффективным решением проблемы вывода излучения является синтез наноалмазов, содержащих центры окраски, т. к. размер отдельного наноалмаза меньше длины излучаемого фотона. Также в некоторых работах предложено размещать наноалмазы в специально вытравленные по размеру позолоченные ямки или внедрять внутрь резонатора между брэгговских зеркал, нанесенных прямо на торец оптоволокна [127–129].
Для волоконного однофотонного источника желательно организовать передачу однофотонного сигнала в оптоволокно или в интегральный волновод. Это возможно сделать, разместив кристалл с NV-центрами на торце оптоволокна, или же нанеся на поверхность алмаза полусферическую линзу (типа коллиматора), направляющую излучение в торец волокна. Более сложный метод предполагает интеграцию содержащего центр окраски наноалмаза в оптический резонатор, в котором реализована оптическая связь с близлежащим волноводом.
Отметим также, что на основе центров окраски в алмазе разрабатываются однофотонные источники с электрической накачкой [130–132]. Пока эффективность электрической накачки примерно на порядок уступает оптической накачке, но дальнейшее развитие этой тематики очень перспективно.
Кроме того, центры окраски существуют не только в алмазах, и, конечно же, ведутся работы по изучению люминесценции центров окраски в других материалах и возможностям их применения для однофотонных детекторов. В качестве примера упомянем С–С центры и G-центры в кремнии [133, 134] и одиночные вакансии кремния в особочистом карбиде кремния [135–139].
Далее будут рассматриваться однофотонные источники на углеродных нанотрубках и дефектах в них (инженерия дефектов в нанотрубках), на нанокристаллах и слоистых нанокристаллах, на одиночных молекулах, в низкоразмерных структурах и ионах металлов в полимерной матрице, а также ансамблевые системы и источники на нелинейных кристаллах.
REFERENCES
Квантовые точки
Quantum dots
P. Senellart, G. Solomon, A. White. High-performance semiconductor quantum-dot single-photon sources. Nature Nanotech. 2017;12: 1026–1039. https://doi.org/10.1038/nnano.2017.218
K. D. Zeuner, K. D. Jöns, L. Schweickert, C. R. Hedlund, C. N. Lobato, T. Lettner, K. Wang, S. Gyger, E. Schöll, S. Steinhauer, M. Hammar, V. Zwiller. On-Demand Generation of Entangled Photon Pairs in the Telecom C-Band with InAs Quantum Dots. ACS Photonics. 2021; 8: 2337–2344. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00504
J. Kim, O. Benson, H. Kan, Y. Yamamoto. A single-photon turnstile device. Nature. 1999; 397: 500. http://dx.doi.org/10.1038/17295
S. Deshpande, T. Frost, A. Hazari, P. Bhattacharya. Electrically pumped single-photon emission at room temperature from a single InGaN/GaN quantum dot. Appl. Phys. Lett. 2014; 105: 141109. https://doi.org/10.1063/1.4897640
X. Lin, X. Dai, C. Pu, Y. Deng, Y. Niu, L. Tong, W. Fang, Y. Jin, X. Peng. Electrically-driven single-photon sources based on colloidal quantum dots with near-optimal antibunching at room temperature. Nature Communications. 2017; 8: 1132. https://doi.org/10.1038/s41467-017-01379-6
A. P. Alivisatos. Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots. Science. 1996. https://doi.org/10.1126/science.271.5251.933
Y. Arakawa, M. J. Holmes. Progress in quantum-dot single photon sources for quantum information technologies: A broad spectrum overview. Appl. Phys. Rev. 2020; 7(2): 021309. https://doi.org/10.1063/5.0010193
R. Li, F. Liu, Q. Lu. Quantum Light Source Based on Semiconductor Quantum Dots: A Review. Photonics. 2023; 10(6): 639. https://doi.org/10.3390/photonics10060639
Материалы для квантовых точек
Quantum Dot Materials
T. Miyazawa, K. Takemoto, Y. Nambu, S. Miki, T. Yamashita, H. Terai, M. Fujiwara, M. Sasaki, Y. Sakuma, M. Takatsu, T. Yamamoto, Y. Arakawa. Single-photon emission at 1.5 μm from an InAs/InP quantum dot with highly suppressed multi-photon emission probabilities. Appl. Phys. Lett. 2016; 109(13): 132106. https://doi.org/10.1063/1.4961888
A. Musiał, P. Holewa, P. Wyborski, M. Syperek, A. Kors, J. P. Reithmaier, G. Sęk, M. Benyoucef. High-purity triggered single-photon emission from symmetric single InAs/InP quantum dots around the telecom C-band window. Adv. Quantum Technol. 2019; 3(2): 1900082. https://doi.org/10.1002/qute.201900082
Ł. Dusanowski, M. Syperek, J. Misiewicz, A. Somers, S. Höfling, M. Kamp, J. P. Reithmaier, G. Sęk. Single-photon emission of InAs/InP quantum dashes at 1.55 μm and temperatures up to 80 K. Appl. Phys. Lett. 2016; 108(16): 163108. https://doi.org/10.1063/1.4947448
Y.-M. He, Y. He, Y.-J. Wei, D. Wu, M. Atature, C. Schneider, S. Hofling, M. Kamp, C.-Y. Lu, J.-W. Pan. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nature Nanotechnology. 2013; 8(3): 213–217. https://doi.org/10.1038/nnano.2012.262
Ł. Dusanowski, P. Holewa, A. Maryński, A. Musiał, T. Heuser, N. Srocka, D. Quandt, A. Strittmatter, S. Rodt, J. Misiewicz, S. Reitzenstein, G. Sęk. Triggered high-purity telecom-wavelength single-photon generation from p-shell-driven InGaAs/GaAs quantum dot. Optics Express. 2017; 25(25): 31122. https://doi.org/10.1364/oe.25.031122
R. P. Mirin. Photon antibunching at high temperature from a single InGaAs/GaAs quantum dot. Appl. Phys. Lett. 2004; 84(8): 1260–1262. https://doi.org/10.1063/1.1650032
C. Zinoni, B. Alloing, C. Monat, V. Zwiller, L. H. Li, A. Fiore, L. Lunghi, A. Gerardino, H. de Riedmatten, H. Zbinden, N. Gisin. Time-resolved and antibunching experiments on single quantum dots at 1300 nm. Appl. Phys. Lett. 2006; 88(13): 131102. https://doi.org/10.1063/1.2190466
L. Schweickert, K. D. Jöns, K. D. Zeuner, S. F. Covre da Silva, H. Huang, T. Lettner, M. Reindl, J. Zichi, R. Trotta, A. Rastelli, V. Zwiller. On-demand generation of background-free single photons from a solid-state source. Appl. Phys. Lett. 2018; 112(9): 093106. https://doi.org/10.1063/1.5020038
L. Cavigli, S. Bietti, N. Accanto, S. Minari, M. Abbarchi, G. Isella, C. Frigeri, A. Vinattieri, M. Gurioli, S. Sanguinetti. High temperature single photon emitter monolithically integrated on silicon. Appl. Phys. Lett. 2012; 100(23), 231112. https://doi.org/10.1063/1.4726189
P. Yu, Z. Li, T. Wu, Y.-T. Wang, X. Tong, C.-F. Li, Z. Wang, S.-H. Wei, Y. Zhang, H. Liu, L. Fu, Y. Zhang, J. Wu, H. H. Tan, C. Jagadish, Z. M. Wang. Nanowire quantum dot surface engineering for high temperature single photon emission. ACS Nano. 2019; 13(11): 13492–13500. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b07204
V. Zwiller, T. Aichele, W. Seifert, J. Persson, O. Benson. Generating visible single photons on demand with single InP quantum dots. Appl. Phys. Lett. 2003; 82(10): 1509–1511. https://doi.org/10.1063/1.1558952
M. Wiesner, W.-M. Schulz, C. Kessler, M. Reischle, S. Metzner, F. Bertram, J. Christen, R. Roßbach, M. Jetter, P. Michler. Single-photon emission from electrically driven InP quantum dots epitaxially grown on CMOS-compatible Si(001). Nanotechnology. 2012; 23(33): 335201. https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/33/335201
A. Ugur, S. Kremling, F. Hatami, S. Höfling, L. Worschech, A. Forchel, W. T. Masselink. Single-photon emitters based on epitaxial isolated InP/InGaP quantum dots. Appl. Phys. Lett. 2012; 100(2): 023116. https://doi.org/10.1063/1.3676273
A. Tribu, G. Sallen, T. Aichele, R. André, J.-P. Poizat, C. Bougerol, S. Tatarenko, K. Kheng. A high-temperature single-photon source from nanowire quantum dots. Nano Letters. 2008; 8(12): 4326–4329. https://doi.org/10.1021/nl802160z
S. Bounouar, M. Elouneg-Jamroz, M. I. Den Hertog, C. Morchutt, E. Bellet-Amalric, R. André, C. Bougerol, Y. Genuist, J.-P. Poizat, S. Tatarenko, K. Kheng. Ultrafast room temperature single-photon source from nanowire-quantum dots. Nano Letters. 2012; 12(6): 2977–2981. https://doi.org/10.1021/nl300733f
K. Sebald, P. Michler, T. Passow, D. Hommel, G. Bacher, A. Forchel. Single-photon emission of CdSe quantum dots at temperatures up to 200K. Appl. Phys. Lett. 2002; 81: 2920. https://doi.org/10.1063/1.1515364
W. Quitsch, T. Kummell, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel, G. Bacher. Electrically driven single photon emission from a CdSe/ZnSSe/MgS semiconductor quantum dot. Physica Status Solidi C. 2014; 11(7–8): 1256–1259. https://doi.org/10.1002/pssc.201300627
O. Fedorych, C. Kruse, A. Ruban, D. Hommel, G. Bacher, T. Kummell. Room temperature single photon emission from an epitaxially grown quantum dot. Appl. Phys. Lett. 2012; 100(6): 061114. https://doi.org/10.1063/1.3683498
W. Quitsch, T. Kummell, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel, G. Bacher. Electrically driven single photon emission from a CdSe/ZnSSe single quantum dot at 200 K. Appl. Phys. Lett. 2014; 105(9): 091102. https://doi.org/10.1063/1.4894729
M. Benyoucef, H. S. Lee, J. Gabel, T. W. Kim, H. L. Park, A. Rastelli, O. G. Schmidt. Wavelength tunable triggered single-photon source from a single CdTe quantum dot on silicon substrate. Nano Letters. 2009; 9(1): 304–307. https://doi.org/10.1021/nl802948a
J.-H. Cho, Y. M. Kim, S.-H. Lim, H.-S. Yeo, S. Kim, S. Gong, Y.-H. Cho. Strongly coherent single-photon emission from site-controlled InGaN quantum dots embedded in GaN nanopyramids. ACS Photonics. 2018; 5: 439. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00922
H. P. Springbett, J. Jarman, T. Zhu, M. Holmes, Y. Arakawa, R. A. Oliver. Improvement of single photon emission from InGaN QDs embedded in porous micropillars. Appl. Phys. Lett. 2018; 113(10): 101107. https://doi.org/10.1063/1.5045843
S. Deshpande, T. Frost, A. Hazari, P. Bhattacharya. Electrically pumped single-photon emission at room temperature from a single InGaN/GaN quantum dot. Appl. Phys. Lett. 2014; 105(14): 141109. https://doi.org/10.1063/1.4897640
M. Arita, F. L. Roux, M. J. Holmes, S. Kako, Y. Arakawa. Ultraclean single photon emission from a GaN Quantum dot. Nano Letters. 2017; 17(5): 2902–2907. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b00109
M. J. Holmes, S. Kako, K. Choi, M. Arita, Y. Arakawa. Single photons from a hot solid-state emitter at 350K. ACS Photonics. 2016; 3(4), 543–546. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00112
S. Kako, M. Holmes, S. Sergent, M. Bürger, D. J. As, Y. Arakawa. Single-photon emission from cubic GaN quantum dots. Appl. Phys. Lett. 2014; 104(1): 011101. https://doi.org/10.1063/1.4858966
Резонаторы для квантовых точек
Microcavity-enhanced quantum dot single-photon sources
M. Gurioli, Z. Wang, A. Rastelli, T. Kuroda, S. Sanguinetti. Droplet epitaxy of semiconductor nanostructures for quantum photonic devices. Nature Materials. 2019; 18 (8): 799–810. https://doi.org/10.1038/s41563-019-0355‑y
L. Zhai, M. C. Löbl, G. N. Nguyen, J. Ritzmann, A. Javadi, C. Spinnler, A. D. Wieck, A. Ludwig, R. J. Warburton. Low-noise GaAs quantum dots for quantum photonics. Nature Communications. 2020; 11(1): 4745. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18625‑z
Микростолбики
Micropillars
P. Herve, L.K.J. Vandamme. General relation between refractive index and energy gap in semiconductors. Infrared Physics & Technology. 1994; 35 (4): 609–615. https://doi.org/10.1016/1350-4495(94)90026-4
S. Reitzenstein, A. Forchel. Quantum dot micropillars. Journal of Physics D: Applied Physics. 2010; 43 (3): 033001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/3/033001
А. И. Галимов, М. В. Рахлин, Г. В. Климко, Ю. М. Задиранов, Ю. А. Гусева, С. И. Трошков, Т. В. Шубина, А. А. Торопов. Источник неразличимых одиночных фотонов на основе эпитаксиальных InAs/GaAs квантовых точек для интеграции в схемы квантовых вычислений. Письма в ЖЭТФ. 2021; 113(4); 248–255. https://doi.org/10.31857/S1234567821040054
Перестраиваемые микрорезонаторы
Tunable microresonators
N. Tomm, A. Javadi, N. O. Antoniadis, D. Najer, M. C. Löbl, A. R. Korsch, R. Schott, S. R. Valentin, A. D. Wieck, A. Ludwig, R. J. Warburton. A bright and fast source of coherent single photons. Nature Nanotechnology. 2021; 16 (4): 399–403. https://doi.org/10.1038/s41565-020-00831‑x
D. Najer, I. Söllner, P. Sekatski, V. Dolique, M. C. Löbl, D. Riedel, R. Schott, S. Starosielec, S. R. Valentin, A. D. Wieck, N. Sangouard, A. Ludwig, R. J. Warburton. A gated quantum dot strongly coupled to an optical microcavity. Nature. 2019; 575 (7784): 622–627. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1709‑y
Фотонно-кристаллические волноводы
Photonic Crystal Waveguides
F. Liu, A. J. Brash, J. O’Hara, L.M.P.P. Martins, C. L. Phillips, R. J. Coles, B. Royall, E. Clarke, C. Bentham, N. Prtljaga, I. E. Itskevich, L. R. Wilson, M. C. Skolnick, A. M. Fox. High Purcell factor generation of indistinguishable on-chip single photons. Nature Nanotechnology. 2018; 13 (9): 835–840. https://doi.org/10.1038/s41565-018-0188‑x
R. Uppu, F. T. Pedersen, Y. Wang, C. T. Olesen, C. Papon, X. Zhou, L. Midolo, S. Scholz, A. D. Wieck, A. Ludwig, P. Lodahl. Scalable integrated single-photon source. Science Advances. 2020; 6(50): eabc8268. https://doi.org/10.1126/sciadv.abc8268
U. Rengstl, M. Schwartz, T. Herzog, F. Hargart, M. Paul, S. L. Portalupi, M. Jetter, P. Michler. On-chip beamsplitter operation on single photons from quasi-resonantly excited quantum dots embedded in GaAs rib waveguides. Appl. Phys. Lett. 2015; 107 (2): 021101. https://doi.org/10.1063/1.4926729
Квантовые точки с резонаторами (рис. 8)
Microcavity-enhanced QD (fig. 8)
72. R. Li, F. Liu, Q. Lu. Quantum Light Source Based on Semiconductor Quantum Dots: A Review. Photonics. 2023; 10: 639. https://doi.org/10.3390/photonics10060639
N. Somaschi, V. Giesz, L. De Santis, J. C. Loredo, M. P. Almeida, G. Hornecker, S. L. Portalupi, T. Grange, C. Antón, J. Demory, C. Gómez, I. Sagnes, N. D. Lanzillotti-Kimura, A. Lemaítre, A. Auffeves, A. G. White, L. Lanco, P. Senellart. Near-optimal single-photon sources in the solid state. Nature Photonics. 2016; 10: 340–345. https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.23
T. Heindel, A. Thoma, M. von Helversen, M. Schmidt, A. Schlehahn, M. Gschrey, P. Schnauber, J.-H. Schulze, A. Strittmatter, J. Beyer, S. Rodt, A. Carmele, A. Knorr, S. Reitzenstein. A bright triggered twin-photon source in the solid state. Nature Communications. 2017; 8:14870. https://doi.org/10.1038/ncomms14870
M. Moczała-Dusanowska, Ł. Dusanowski, O. Iff, T. Huber, S. Kuhn, T. Czyszanowski, C. Schneider, S. Höfling. Strain-tunable single-photon source based on a circular Bragg grating cavity with embedded quantum dots. ACS Photonics. 2020; 7: 3474–3480. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01465
X. Li, S. Liu, Y. Wei, J. Ma, C. Song, Y. Yu, R. Su, W. Geng, H. Ni, H. Liu, X. Su, Z. Niu, Y.-L. Chen, J. Liu. Bright semiconductor single-photon sources pumped by heterogeneously integrated micropillar lasers with electrical injections. Light Sci. Appl. 2023; 12: 65. https://doi.org/10.1038/s41377-023-01110-9
F. Liu, A. J. Brash, J. O’Hara, L.M.P.P. Martins, C. L. Phillips, R. J. Coles, B. Royall, E. Clarke, C. Bentham, N. Prtljaga, I. E. Itskevich, L. R. Wilson, M. S. Skolnick, A. M. Fox. High Purcell factor generation of indistinguishable on-chip single photons. Nature Nanotechnology. 2018; 13: 835–840. https://doi.org/10.1038/s41565-018-0188‑x
Центры окраски в алмазе
Color centers in diamond
A. Komarovskikh, V. Nadolinny, V. Plyusnin, Y. Palyanov, M. Rakhmanova. Photoluminescence of HPHT diamonds synthesized in the Mg-Ge-C system. Diamond and Related Materials. 2017; 79:145–149. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2017.09.012
A. M. Zaitsev. Optical properties of diamond: a data handbook. Springer: Berlin, New York. 2001. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04548-0
A. M. Zaitsev. Vibronic spectra of impurity-related optical centers in diamond. Phys. Rev. B. 2000; 61:12909–12922. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.12909
I. Aharonovich, A. D. Greentree, S. Prawer. Diamond photonics. Nature Photonics. 2011; 5: 397–405. https://doi.org/10.1038/nphoton.2011.54
E. Wu, J. R. Rabeau, G. Roger, F. Treussart, H. Zeng, P. Grangier, S. Prawer, J.-F. Roch. Room temperature triggered single-photon source in the near infrared. New J. Phys. 2007; 9: 434–434. https://doi.org/10.1088/1367-2630/9/12/434
R. Nelz, J. Görlitz, D. Herrmann, A. Slablab, M. Challier, M. Radtke, M. Fischer, S. Gsell, M. Schreck, C. Becher, E. Neu. Toward wafer-scale diamond nano- and quantum technologies. APL Materials. 2019; 7: 011108. https://doi.org/10.1063/1.5067267
S. D. Trofimov, S. A. Tarelkin, S. V. Bolshedvorskii, V. S. Bormashov, S. Yu. Troshchiev, A. V. Golovanov, N. V. Luparev, D. D. Prikhodko, K. N. Boldyrev, S. A. Terentiev, A. V. Akimov, N. I. Kargin, N. S. Kukin, A. S. Gusev, A. A. Shemukhin, Y. V. Balakshin, S. G. Buga, V. D. Blank. Spatially controlled fabrication of single NV centers in IIa HPHT diamond. Opt. Mater. Express. 2020; 10: 198. https://doi.org/10.1364/OME.10.000198
J. Achard, V. Jacques, A. Tallaire. CVD diamond single crystals with NV centres: a review of material synthesis and technology for quantum sensing applications. Journal of Physics D: Applied Physics. 2020; 53: 313001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab81d1
Сбор излучения NV-центра
NV Center radiation collection
R. P. Mildren, J. R. Rabeau et al. Optical Engineering of Diamond. – Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim. Germany. 2013. https://doi.org/10.1002/9783527648603
M. Jamali, I. Gerhardt, M. Rezai, K. Frenner, H. Fedder, J. Wrachtrup. Microscopic diamond solid-immersion-lenses fabricated around single defect centers by focused ion beam milling. Review of Scientific Instruments. 2014; 85: 123703. https://doi.org/10.1063/1.4902818
A. V. Golovanov, V. S. Bormashov, N. V. Luparev, S. A. Tarelkin, S. Y. Troschiev, S. G. Buga, V. D. Blank. Diamond Microstructuring by Deep Anisotropic Reactive Ion Etching. Physica Status Solidi (a). 2018;215: 1800273. https://doi.org/10.1002/pssa.201800273
Z. Liu, T.-F. Zhu, Y.-F. Wang, I. Ahmed, Z. Liu, F. Wen, X. Zhang, W. Wang, S. Fan, K. Wang, H.-X. Wang. Fabrication of Diamond Submicron Lenses and Cylinders by ICP Etching Technique with SiO2 Balls Mask. Materials. 2019; 12: 1622. https://doi.org/10.3390/ma12101622
T.-Y. Huang, R. R. Grote, S. A. Mann, D. A. Hopper, A. L. Exarhos, G. G. Lopez, G. R. Kaighn, E. C. Garnett, L. C. Bassett. A monolithic immersion metalens for imaging solid-state quantum emitters. Nature Communicatons. 2019; 10: 2392. https://doi.org/10.1038/s41467-019-10238-5
A. M. Romshin, A. V. Gritsienko, A. S. Ilin, R. K. Bagramov, V. P. Filonenko, A. G. Vitukhnovsky, I. I. Vlasov. Enhancing single-photon emission of silicon-vacancy centers in nanodiamonds by a gold film. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2023; 16 (1.3): 135–139. https://doi.org/10.18721/JPM.161.323
A. Romshin, A. Gritsenko, P. Lega, A. Orlov, A. Ilin, A. Martyanov, V. Sedov, I. Vlasov, A. Vitukhnovsky. Effectively enhanced emission from silicon-vacancy centers in a hybrid diamond-in-pit microstructure. Laser Physics Letters. 2022; 20(1): 015206. https://doi.org/10.1088/1612-202X/acabcd
A. A. Zhivopistsev, A. M. Romshin, A. V. Gritsienko, P. V. Lega, R. Kh. Bagramov, V. P. Filonenko, A. G. Vitukhnovsky, I. I. Vlasov. Single photon emission of “silicon-vacancy” centers in nanodiamonds placed in cylindrical pits on a gold film. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2024; 17(1):100–104. https://doi.org/10.18721/JPM.171.116
D. Yu. Fedyanin, M. Agio. Ultrabright single-photon source on diamond with electrical pumping at room and high temperatures. New Journal of Physics. 2016; 18: 073012. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/18/7/073012
I. A. Khramtsov, M. Agio, D. Yu. Fedyanin. Dynamics of single-photon emission from electrically pumped color centers. Phys. Rev. Appl. 2017; 8: 024031. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.024031
I. A. Khramtsov, D. Y. Fedyanin. Superinjection in diamond p-i-n diodes: bright single-photon electroluminescence of color centers beyond the doping limit. Phys. Rev. Appl. 2019; 12: 024013. https://doi.org/10.1103/physrevapplied.12.024013
СС-центры и G-центры в кремнии
CC centers and G centers in silicon
D. Timerkaeva, C. Attaccalite, G. Brenet, D. Caliste, P. Pochet. Structural, electronic, and optical properties of the C–C complex in bulk silicon from first principles. J. Appl. Phys. 2018; 123(16): 161421. https://doi.org/10.1063/1.5010269
M. Hollenbach, Y. Berencén, U. Kentsch, M. Helm, G. V. Astakhov. Engineering telecom single-photon emitters in silicon for scalable quantum photonics. Optics Express. 2020; 28(18): 26111–26121. https://doi.org/10.1364/OE.397377
Карбид кремния, silicon vacancies in 4H- and 6H-SiC
Silicon carbide, silicon vacancies in 4H- and 6H-SiC
S. Castelletto, B. C. Johnson, V. Ivády, N. Stavrias, T. Umeda, A. Gali, T. Ohshima. A silicon carbide room-temperature single-photon source. Nature Materials. 2013; 13: 151–156. https://doi.org/10.1038/nmat3806
F. Fuchs, V. A. Soltamov, S. Väth, P. G. Baranov, E. N. Mokhov, G. V. Astakhov, V. Dyakonov. Silicon carbide light-emitting diode as a prospective room temperature source for single photons. Scientific Reports. 2013; 3:1637. https://doi.org/10.1038/srep01637
F. Fuchs, B. Stender, M. Trupke, D. Simin, J. Pflaum, V. Dyakonov, G. V. Astakhov. Engineering near-infrared single-photon emitters with optically active spins in ultrapure silicon carbide. Nature Communications. 2015; 6(1): 7578. https://doi.org/10.1038/ncomms8578
G. Calusine, A. Politi, D. D. Awschalom. Silicon carbide photonic crystal cavities with integrated color centers. Appl. Phys. Lett. 2014; 105: 011123. https://doi.org/10.1063/1.4890083
I. Aharonovich, S. Castelletto, D. A. Simpson, A. D. Greentree, S. Prawer. Photophysics of chromium-related diamond single-photon emitters. Phys. Rev. A. 2010; 81: 043813. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.81.043813
Об АВТОРЕ
В. Г. Криштоп; e-mail: vladimir.krishtop@infotecs.ru.
ORCID: 0000-0001-6063-2657
Часть 2
В. Г. Криштоп
Институт проблем технологии микроэлектроники РАН, г. Черноголовка, Моск. обл., Россия. АО «ИнфоТеКС», Москва, Россия.
Московский физико-технический институт, г. Долгопрудный, Моск. обл., Россия.
В данном обзоре рассматриваются различные способы создания однофотонных источников (ИОФ). Задача генерации одиночных фотонов может решаться разными способами, и на текущий момент среди них нет такого, который был бы существенно предпочтителен.
В первой части обзора обсуждались требования к однофотонным источникам и критерии характеризации источников. В первую часть обзора вошли источники одиночных фотонов на основе одиночных ионов и на основе одиночных атомов.
Во второй части рассмотрены ИОФ на квантовых точках и на центрах окраски в кристаллах.
Ключевые слова: квантовые точки, резонаторы для квантовых точек, перестраиваемые микрорезонаторы, центры окраски в алмазе, сбор излучения NV-центра, наноалмазы, СС-центры и G-центры в кремнии, вакансии в карбиде кремния
Статья поступила: 01.08.2024
Статья принята: 16.08.2024
Квантовые точки [65, 66]
Квантовая точка (quantum dot) – это искусственно созданная наноструктура, обладающая квантовыми свойствами. В полупроводниковой квантовой точке трехмерное движение электронов и дырок ограничено внутри низкоразмерной наноструктуры в трех измерениях, в результате чего образуются уровни размерного квантования, подобные атомным уровням. Переходы электронов между этими уровнями могут происходить с испусканием и поглощением фотонов, что позволяет реализовывать на квантовых точках источники фотонов как с оптической, так и с электрической накачкой.
Размеры квантовых точек обычно составляют от нескольких нанометров до нескольких десятков нанометров. Это позволяет задавать их оптические и электронные свойства путем изменения их размеров.
При оптическом возбуждении электрон-дырочная пара создается за счет поглощения фотонов. Квантовая точка возбуждается лазером и после возбуждения электрон в квантовой точке переходит на более высокий энергетический уровень, образуя электрон-дырочную пару. После этого неравновесная электрон-дырочная пара анигилирует и излучает фотон. Этот процесс происходит таким образом, что каждый раз в процессе задействована только одна электрон-дырочная пара и излучается только один фотон.
В электрическом случае возбуждение создается путем дрейфа электрона и дырки из легированных областей прибора в квантовую точку. Благодаря эффекту кулоновской блокады, можно реализовать режим работы, при котором заряды могут проходить через квантовую точку контролируемо и только по одному за один раз. Такой режим называют электронным или фотонным турникетом [67].
Квантовые точки нашли широкое применение в различных областях, таких как оптика, фотоника, квантовые вычисления, криптография, медицина и солнечная энергетика. Квантовые точки, в которых возбуждается и аннигилирует ровно одна электрон-дырочная пара и испускается ровно один фотон, иногда называют «искусственными атомами» (так же, как и другие структуры с атомоподобными уровнями), такие точки хорошо подходят для истинно однофотонных источников.
В настоящее время наиболее эффективные однофотонные источники на основе квантовых точек сделаны с использованием полупроводников III–V. Квантовые точки на элементах III–V имеют большое значение оптического дипольного момента, приводящее к большой связи с ограниченными или управляемыми оптическими модами, что является ключевой особенностью в получении ярких источников. В то же время активно развиваются системы на основе II–VI материалов.
При выращивании квантовых точек, как правило, применяются стандартные микроэлектронные технологии: молекулярно-лучевая эпитаксия (MBE – Molecular Beam Epitaxy) или химическое осаждение из газовой фазы (CVD – Chemical Vapor Deposition).
Молекулярно-лучевая эпитаксия – дорогая и трудоемкая технология, требующая высокоточного и дорогостоящего оборудования (машина MBE), но зато с ее помощью можно выращивать очень качественные структуры с хорошей повторяемостью. Осаждение из газовой фазы намного технологичнее с точки зрения промышленного производства и существенно дешевле, но достичь такого же качества, как с помощью MBE, невозможно. Кроме того, квантовые точки могут создаваться с помощью лазерной абляции или самоорганизации в «умных» материалах.
Квантовые точки могут работать при различных температурах, в зависимости от материала и конкретного дизайна. Чаще всего квантовые точки работают при гелиевой температуре: 4 К или ниже. Это необходимо для фиксации длины волны излучения, поскольку расщепление по энергии электрон-дырочной пары в квантовой точке невелико, что связано со слабым ограничивающим потенциалом из-за малой ширины запрещенной зоны полупроводников. Например, полупроводниковые квантовые точки на основе III–V соединений, таких как индий-селенид кадмия (CdSe) или индий-селенид галлия (GaAs), обычно требуют охлаждения до температур порядка 10–100 К (около –63 °C до –173 °C).
Однако существуют также квантовые точки, которые могут работать без охлаждения. Однофотонная электролюминесценция была продемонстрирована на квантовых точках при электрической накачке при комнатной температуре [68, 69]. Ряд исследований и разработок в этой области направлен на создание квантовых точек, которые сохраняют свои квантовые свойства при более высоких температурах, чтобы облегчить интеграцию в различные устройства и системы.
Базовые принципы технологии и применения квантовых точек описаны в обзоре [70]. Более детальную информацию о современном состоянии технологии однофотонных источников на основе эпитаксиальных квантовых точек можно найти в относительно недавних обзорах [65, 71, 72]. В заключение данного параграфа приведем сводную таблицу (табл. 2) из обзора [71] по однофотонным свойствам квантовых точек в зависимости от материала, со ссылками на соответствующие работы [73–99].
Резонаторы для квантовых точек
Помещение квантовой точки в резонатор может значительно повысить эффективность генерации одиночных фотонов. Благодаря эффекту Парселла, вероятность испускания фотона квантовой точкой в резонаторе, настроенном на нужную частоту, существенно выше, чем в свободном пространстве. Также, управляя частотой резонатора, можно реализовать источник «по требованию» – когда частота резонатора в точности соответствует энергии излучательного перехода источника, расположенного внутри резонатора, вероятность излучения фотона источником резко возрастает. И так же резко вероятность излучения падает, когда частота резонатора отстраивается от частоты источника.
Существует много способов реализовать систему квантовая точка-резонатор, которая может работать как источник одиночных фотонов. Проблема при использовании резонаторов состоит в том, что одиночные фотоны, взаимодействующие с линейными оптическими элементами, в резонаторе могут группироваться в многофотонные состояния, поэтому использование резонаторов накладывает дополнительные требования на управление таким источником. В частности, необходимо быстрое возбуждение таких источников, чтобы предотвратить эффект накопления, и необходима постимпульсная задержка, чтобы вероятность участия накопленного в резонаторе фотона в процессе испускания следующего была минимальна.
Типичными структурами резонаторов являются микростолбики [101–103], перестраиваемые микрорезонаторы [104, 105], фотонно-кристаллические волноводы [106–108], содержащие различные типы квантовых точек [99, 100].
Центры окраски в алмазе
Центры люминесценции в алмазе являются комбинацией дефектов кристаллической решетки и примесных атомов или молекул, в основном комбинацией примесных атомов и вакансий. На центрах окраски типа «примесь-вакансия» (SiV, NV, где буква V обозначает vacancy) возможно построить яркие однофотонные источники для квантовых информационных технологий, работоспособные при комнатной температуре.
В алмазе хорошо исследован одиночный центр окраски на основе азота, а именно азото-замещенная вакансия с отрицательным зарядом NV-. NV-центр имеет структуру в виде вакансии (дефекта кристаллической решетки в виде отсутствия атома в ее узле) и атома азота в ближайших узлах [114] (см. рис. 9). Алмазы с такими центрами встречаются в природе и обладают розовой окраской, но довольно редки и за счет этого отличаются высокой ценой на ювелирном рынке. Для создания однофотонных источников используются синтезированные наноалмазы, содержащие NV-центры.
На данный момент известно более 500 различных центров окраски в алмазе (color centers) с длинами волн эмиссии от среднего ИК (NIR) до видимого диапазона [115]. На данный момент были обнаружены центры окраски, связанные со следующими химическими элементами: H, He, Li, C, B, N, O, Ne, Si, P, Ti, Cr, Co, Ni, Zn, Ge, As, Zr, Ag, Xe, Ta, W, Tl, Er, Eu и т. д. [116]. Конфигурация и спектр центра окраски зависят от вакансионного окружения внедренного атома (возможность образования вакансионных центров типа A-V, AVAV, A-V2 и т. д.). Некоторые из известных центров окраски в алмазе обладают уникальными свойствами для квантовых и фотонных применений: высокостабильная флуоресценция одиночных центров при комнатной температуре с малой шириной бесфононной линии и высокая когерентность спиновых состояний этих центров [117].
Ведется активный поиск центров окраски с люминесценцией в более длинноволновой области спектра (>800 нм), т. к. устройства с данными центрами могут быть интегрированы в существующую телекоммуникационную оптоволоконную инфраструктуру. На данный момент самым длинноволновым остается центр окраски NE8 (793 нм), связанный с комплексами Ni-N [118].
Развитие методов синтеза алмаза приводит к тому, что становятся доступными технологии создания люминесцентных центров (преимущественно NV и SiV), интегрированных в подложки с масштабным размером на уровне пластин для микроэлектроники [119]. Также возможно контролируемое создание одиночных NV-центров в объемном алмазе с высоким структурным совершенством, выращенном методом синтеза при высоких давлениях и температурах [120]. Обзор [121] дает практическое представление о требованиях и условиях для создания алмаза с необходимыми химической чистотой и кристаллическим совершенством. Эти достижения в изготовлении материалов способствовали тому, что алмаз стал одним из наиболее перспективных твердотельных квантовых систем.
Сбор излучения NV-центра
Существенной технической проблемой при разработке и изготовлении однофотонных источников на основе монокристаллов алмаза является малая эффективность вывода излучения от NV-центра. Для плоской поверхности пластины угол полного внутреннего отражения составляет 24,50. Хотя NV-центр является достаточно ярким центром люминесценции, способным генерировать порядка 100 миллионов фотонов в секунду, через плоскую поверхность выйдет менее 5% всего излучения точечного центра, находящегося под поверхностью. Такая малая эффективность сбора фотонов обусловлена интерфейсом раздела алмаз-воздух. Алмаз обладает высоким коэффициентом преломления nалмаз = 2,4 (для сравнения показатель преломления кварца всего 1,4), поэтому на границе с воздухом, начиная с определенного угла падения, происходит полное внутреннее отражение, как это показано схематически на рисунке.
Комбинация с линзой повышает эффективность передачи однофотонного излучения в волокно, т. к. собирает излучаемые фотоны из телесного угла, близкого к 2π, и практически, эффективность ограничена только апертурой волокна. Теоретически эту эффективность можно удвоить, поставив отражатель на противоположной стороне волокна, например, брэгговскую решетку на частоте NV-центра или серебряное зеркало [122].
Создание иммерсионных линз над излучающими NV-центрами с помощью травления фокусированным ионным пучком позволяет увеличить сбор излучения до как минимум 10% и достичь частоты одиночных фотонов 1 МГц [123]. Данный метод был развит для упрощения технологии создания линз: были опробованы методы плазменного анизотропного травления линз через многослойные литографические маски [124] и методы естественного маскирования с помощью оксидных микрошариков [125].
В [126] описан процесс разработки и создания монолитной иммерсионной металинзы на основе френелевской оптики с наноструктурированой поверхностью.
Эффективным решением проблемы вывода излучения является синтез наноалмазов, содержащих центры окраски, т. к. размер отдельного наноалмаза меньше длины излучаемого фотона. Также в некоторых работах предложено размещать наноалмазы в специально вытравленные по размеру позолоченные ямки или внедрять внутрь резонатора между брэгговских зеркал, нанесенных прямо на торец оптоволокна [127–129].
Для волоконного однофотонного источника желательно организовать передачу однофотонного сигнала в оптоволокно или в интегральный волновод. Это возможно сделать, разместив кристалл с NV-центрами на торце оптоволокна, или же нанеся на поверхность алмаза полусферическую линзу (типа коллиматора), направляющую излучение в торец волокна. Более сложный метод предполагает интеграцию содержащего центр окраски наноалмаза в оптический резонатор, в котором реализована оптическая связь с близлежащим волноводом.
Отметим также, что на основе центров окраски в алмазе разрабатываются однофотонные источники с электрической накачкой [130–132]. Пока эффективность электрической накачки примерно на порядок уступает оптической накачке, но дальнейшее развитие этой тематики очень перспективно.
Кроме того, центры окраски существуют не только в алмазах, и, конечно же, ведутся работы по изучению люминесценции центров окраски в других материалах и возможностям их применения для однофотонных детекторов. В качестве примера упомянем С–С центры и G-центры в кремнии [133, 134] и одиночные вакансии кремния в особочистом карбиде кремния [135–139].
Далее будут рассматриваться однофотонные источники на углеродных нанотрубках и дефектах в них (инженерия дефектов в нанотрубках), на нанокристаллах и слоистых нанокристаллах, на одиночных молекулах, в низкоразмерных структурах и ионах металлов в полимерной матрице, а также ансамблевые системы и источники на нелинейных кристаллах.
REFERENCES
Квантовые точки
Quantum dots
P. Senellart, G. Solomon, A. White. High-performance semiconductor quantum-dot single-photon sources. Nature Nanotech. 2017;12: 1026–1039. https://doi.org/10.1038/nnano.2017.218
K. D. Zeuner, K. D. Jöns, L. Schweickert, C. R. Hedlund, C. N. Lobato, T. Lettner, K. Wang, S. Gyger, E. Schöll, S. Steinhauer, M. Hammar, V. Zwiller. On-Demand Generation of Entangled Photon Pairs in the Telecom C-Band with InAs Quantum Dots. ACS Photonics. 2021; 8: 2337–2344. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.1c00504
J. Kim, O. Benson, H. Kan, Y. Yamamoto. A single-photon turnstile device. Nature. 1999; 397: 500. http://dx.doi.org/10.1038/17295
S. Deshpande, T. Frost, A. Hazari, P. Bhattacharya. Electrically pumped single-photon emission at room temperature from a single InGaN/GaN quantum dot. Appl. Phys. Lett. 2014; 105: 141109. https://doi.org/10.1063/1.4897640
X. Lin, X. Dai, C. Pu, Y. Deng, Y. Niu, L. Tong, W. Fang, Y. Jin, X. Peng. Electrically-driven single-photon sources based on colloidal quantum dots with near-optimal antibunching at room temperature. Nature Communications. 2017; 8: 1132. https://doi.org/10.1038/s41467-017-01379-6
A. P. Alivisatos. Semiconductor Clusters, Nanocrystals, and Quantum Dots. Science. 1996. https://doi.org/10.1126/science.271.5251.933
Y. Arakawa, M. J. Holmes. Progress in quantum-dot single photon sources for quantum information technologies: A broad spectrum overview. Appl. Phys. Rev. 2020; 7(2): 021309. https://doi.org/10.1063/5.0010193
R. Li, F. Liu, Q. Lu. Quantum Light Source Based on Semiconductor Quantum Dots: A Review. Photonics. 2023; 10(6): 639. https://doi.org/10.3390/photonics10060639
Материалы для квантовых точек
Quantum Dot Materials
T. Miyazawa, K. Takemoto, Y. Nambu, S. Miki, T. Yamashita, H. Terai, M. Fujiwara, M. Sasaki, Y. Sakuma, M. Takatsu, T. Yamamoto, Y. Arakawa. Single-photon emission at 1.5 μm from an InAs/InP quantum dot with highly suppressed multi-photon emission probabilities. Appl. Phys. Lett. 2016; 109(13): 132106. https://doi.org/10.1063/1.4961888
A. Musiał, P. Holewa, P. Wyborski, M. Syperek, A. Kors, J. P. Reithmaier, G. Sęk, M. Benyoucef. High-purity triggered single-photon emission from symmetric single InAs/InP quantum dots around the telecom C-band window. Adv. Quantum Technol. 2019; 3(2): 1900082. https://doi.org/10.1002/qute.201900082
Ł. Dusanowski, M. Syperek, J. Misiewicz, A. Somers, S. Höfling, M. Kamp, J. P. Reithmaier, G. Sęk. Single-photon emission of InAs/InP quantum dashes at 1.55 μm and temperatures up to 80 K. Appl. Phys. Lett. 2016; 108(16): 163108. https://doi.org/10.1063/1.4947448
Y.-M. He, Y. He, Y.-J. Wei, D. Wu, M. Atature, C. Schneider, S. Hofling, M. Kamp, C.-Y. Lu, J.-W. Pan. On-demand semiconductor single-photon source with near-unity indistinguishability. Nature Nanotechnology. 2013; 8(3): 213–217. https://doi.org/10.1038/nnano.2012.262
Ł. Dusanowski, P. Holewa, A. Maryński, A. Musiał, T. Heuser, N. Srocka, D. Quandt, A. Strittmatter, S. Rodt, J. Misiewicz, S. Reitzenstein, G. Sęk. Triggered high-purity telecom-wavelength single-photon generation from p-shell-driven InGaAs/GaAs quantum dot. Optics Express. 2017; 25(25): 31122. https://doi.org/10.1364/oe.25.031122
R. P. Mirin. Photon antibunching at high temperature from a single InGaAs/GaAs quantum dot. Appl. Phys. Lett. 2004; 84(8): 1260–1262. https://doi.org/10.1063/1.1650032
C. Zinoni, B. Alloing, C. Monat, V. Zwiller, L. H. Li, A. Fiore, L. Lunghi, A. Gerardino, H. de Riedmatten, H. Zbinden, N. Gisin. Time-resolved and antibunching experiments on single quantum dots at 1300 nm. Appl. Phys. Lett. 2006; 88(13): 131102. https://doi.org/10.1063/1.2190466
L. Schweickert, K. D. Jöns, K. D. Zeuner, S. F. Covre da Silva, H. Huang, T. Lettner, M. Reindl, J. Zichi, R. Trotta, A. Rastelli, V. Zwiller. On-demand generation of background-free single photons from a solid-state source. Appl. Phys. Lett. 2018; 112(9): 093106. https://doi.org/10.1063/1.5020038
L. Cavigli, S. Bietti, N. Accanto, S. Minari, M. Abbarchi, G. Isella, C. Frigeri, A. Vinattieri, M. Gurioli, S. Sanguinetti. High temperature single photon emitter monolithically integrated on silicon. Appl. Phys. Lett. 2012; 100(23), 231112. https://doi.org/10.1063/1.4726189
P. Yu, Z. Li, T. Wu, Y.-T. Wang, X. Tong, C.-F. Li, Z. Wang, S.-H. Wei, Y. Zhang, H. Liu, L. Fu, Y. Zhang, J. Wu, H. H. Tan, C. Jagadish, Z. M. Wang. Nanowire quantum dot surface engineering for high temperature single photon emission. ACS Nano. 2019; 13(11): 13492–13500. https://doi.org/10.1021/acsnano.9b07204
V. Zwiller, T. Aichele, W. Seifert, J. Persson, O. Benson. Generating visible single photons on demand with single InP quantum dots. Appl. Phys. Lett. 2003; 82(10): 1509–1511. https://doi.org/10.1063/1.1558952
M. Wiesner, W.-M. Schulz, C. Kessler, M. Reischle, S. Metzner, F. Bertram, J. Christen, R. Roßbach, M. Jetter, P. Michler. Single-photon emission from electrically driven InP quantum dots epitaxially grown on CMOS-compatible Si(001). Nanotechnology. 2012; 23(33): 335201. https://doi.org/10.1088/0957-4484/23/33/335201
A. Ugur, S. Kremling, F. Hatami, S. Höfling, L. Worschech, A. Forchel, W. T. Masselink. Single-photon emitters based on epitaxial isolated InP/InGaP quantum dots. Appl. Phys. Lett. 2012; 100(2): 023116. https://doi.org/10.1063/1.3676273
A. Tribu, G. Sallen, T. Aichele, R. André, J.-P. Poizat, C. Bougerol, S. Tatarenko, K. Kheng. A high-temperature single-photon source from nanowire quantum dots. Nano Letters. 2008; 8(12): 4326–4329. https://doi.org/10.1021/nl802160z
S. Bounouar, M. Elouneg-Jamroz, M. I. Den Hertog, C. Morchutt, E. Bellet-Amalric, R. André, C. Bougerol, Y. Genuist, J.-P. Poizat, S. Tatarenko, K. Kheng. Ultrafast room temperature single-photon source from nanowire-quantum dots. Nano Letters. 2012; 12(6): 2977–2981. https://doi.org/10.1021/nl300733f
K. Sebald, P. Michler, T. Passow, D. Hommel, G. Bacher, A. Forchel. Single-photon emission of CdSe quantum dots at temperatures up to 200K. Appl. Phys. Lett. 2002; 81: 2920. https://doi.org/10.1063/1.1515364
W. Quitsch, T. Kummell, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel, G. Bacher. Electrically driven single photon emission from a CdSe/ZnSSe/MgS semiconductor quantum dot. Physica Status Solidi C. 2014; 11(7–8): 1256–1259. https://doi.org/10.1002/pssc.201300627
O. Fedorych, C. Kruse, A. Ruban, D. Hommel, G. Bacher, T. Kummell. Room temperature single photon emission from an epitaxially grown quantum dot. Appl. Phys. Lett. 2012; 100(6): 061114. https://doi.org/10.1063/1.3683498
W. Quitsch, T. Kummell, A. Gust, C. Kruse, D. Hommel, G. Bacher. Electrically driven single photon emission from a CdSe/ZnSSe single quantum dot at 200 K. Appl. Phys. Lett. 2014; 105(9): 091102. https://doi.org/10.1063/1.4894729
M. Benyoucef, H. S. Lee, J. Gabel, T. W. Kim, H. L. Park, A. Rastelli, O. G. Schmidt. Wavelength tunable triggered single-photon source from a single CdTe quantum dot on silicon substrate. Nano Letters. 2009; 9(1): 304–307. https://doi.org/10.1021/nl802948a
J.-H. Cho, Y. M. Kim, S.-H. Lim, H.-S. Yeo, S. Kim, S. Gong, Y.-H. Cho. Strongly coherent single-photon emission from site-controlled InGaN quantum dots embedded in GaN nanopyramids. ACS Photonics. 2018; 5: 439. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.7b00922
H. P. Springbett, J. Jarman, T. Zhu, M. Holmes, Y. Arakawa, R. A. Oliver. Improvement of single photon emission from InGaN QDs embedded in porous micropillars. Appl. Phys. Lett. 2018; 113(10): 101107. https://doi.org/10.1063/1.5045843
S. Deshpande, T. Frost, A. Hazari, P. Bhattacharya. Electrically pumped single-photon emission at room temperature from a single InGaN/GaN quantum dot. Appl. Phys. Lett. 2014; 105(14): 141109. https://doi.org/10.1063/1.4897640
M. Arita, F. L. Roux, M. J. Holmes, S. Kako, Y. Arakawa. Ultraclean single photon emission from a GaN Quantum dot. Nano Letters. 2017; 17(5): 2902–2907. https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.7b00109
M. J. Holmes, S. Kako, K. Choi, M. Arita, Y. Arakawa. Single photons from a hot solid-state emitter at 350K. ACS Photonics. 2016; 3(4), 543–546. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.6b00112
S. Kako, M. Holmes, S. Sergent, M. Bürger, D. J. As, Y. Arakawa. Single-photon emission from cubic GaN quantum dots. Appl. Phys. Lett. 2014; 104(1): 011101. https://doi.org/10.1063/1.4858966
Резонаторы для квантовых точек
Microcavity-enhanced quantum dot single-photon sources
M. Gurioli, Z. Wang, A. Rastelli, T. Kuroda, S. Sanguinetti. Droplet epitaxy of semiconductor nanostructures for quantum photonic devices. Nature Materials. 2019; 18 (8): 799–810. https://doi.org/10.1038/s41563-019-0355‑y
L. Zhai, M. C. Löbl, G. N. Nguyen, J. Ritzmann, A. Javadi, C. Spinnler, A. D. Wieck, A. Ludwig, R. J. Warburton. Low-noise GaAs quantum dots for quantum photonics. Nature Communications. 2020; 11(1): 4745. https://doi.org/10.1038/s41467-020-18625‑z
Микростолбики
Micropillars
P. Herve, L.K.J. Vandamme. General relation between refractive index and energy gap in semiconductors. Infrared Physics & Technology. 1994; 35 (4): 609–615. https://doi.org/10.1016/1350-4495(94)90026-4
S. Reitzenstein, A. Forchel. Quantum dot micropillars. Journal of Physics D: Applied Physics. 2010; 43 (3): 033001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/3/033001
А. И. Галимов, М. В. Рахлин, Г. В. Климко, Ю. М. Задиранов, Ю. А. Гусева, С. И. Трошков, Т. В. Шубина, А. А. Торопов. Источник неразличимых одиночных фотонов на основе эпитаксиальных InAs/GaAs квантовых точек для интеграции в схемы квантовых вычислений. Письма в ЖЭТФ. 2021; 113(4); 248–255. https://doi.org/10.31857/S1234567821040054
Перестраиваемые микрорезонаторы
Tunable microresonators
N. Tomm, A. Javadi, N. O. Antoniadis, D. Najer, M. C. Löbl, A. R. Korsch, R. Schott, S. R. Valentin, A. D. Wieck, A. Ludwig, R. J. Warburton. A bright and fast source of coherent single photons. Nature Nanotechnology. 2021; 16 (4): 399–403. https://doi.org/10.1038/s41565-020-00831‑x
D. Najer, I. Söllner, P. Sekatski, V. Dolique, M. C. Löbl, D. Riedel, R. Schott, S. Starosielec, S. R. Valentin, A. D. Wieck, N. Sangouard, A. Ludwig, R. J. Warburton. A gated quantum dot strongly coupled to an optical microcavity. Nature. 2019; 575 (7784): 622–627. https://doi.org/10.1038/s41586-019-1709‑y
Фотонно-кристаллические волноводы
Photonic Crystal Waveguides
F. Liu, A. J. Brash, J. O’Hara, L.M.P.P. Martins, C. L. Phillips, R. J. Coles, B. Royall, E. Clarke, C. Bentham, N. Prtljaga, I. E. Itskevich, L. R. Wilson, M. C. Skolnick, A. M. Fox. High Purcell factor generation of indistinguishable on-chip single photons. Nature Nanotechnology. 2018; 13 (9): 835–840. https://doi.org/10.1038/s41565-018-0188‑x
R. Uppu, F. T. Pedersen, Y. Wang, C. T. Olesen, C. Papon, X. Zhou, L. Midolo, S. Scholz, A. D. Wieck, A. Ludwig, P. Lodahl. Scalable integrated single-photon source. Science Advances. 2020; 6(50): eabc8268. https://doi.org/10.1126/sciadv.abc8268
U. Rengstl, M. Schwartz, T. Herzog, F. Hargart, M. Paul, S. L. Portalupi, M. Jetter, P. Michler. On-chip beamsplitter operation on single photons from quasi-resonantly excited quantum dots embedded in GaAs rib waveguides. Appl. Phys. Lett. 2015; 107 (2): 021101. https://doi.org/10.1063/1.4926729
Квантовые точки с резонаторами (рис. 8)
Microcavity-enhanced QD (fig. 8)
72. R. Li, F. Liu, Q. Lu. Quantum Light Source Based on Semiconductor Quantum Dots: A Review. Photonics. 2023; 10: 639. https://doi.org/10.3390/photonics10060639
N. Somaschi, V. Giesz, L. De Santis, J. C. Loredo, M. P. Almeida, G. Hornecker, S. L. Portalupi, T. Grange, C. Antón, J. Demory, C. Gómez, I. Sagnes, N. D. Lanzillotti-Kimura, A. Lemaítre, A. Auffeves, A. G. White, L. Lanco, P. Senellart. Near-optimal single-photon sources in the solid state. Nature Photonics. 2016; 10: 340–345. https://doi.org/10.1038/nphoton.2016.23
T. Heindel, A. Thoma, M. von Helversen, M. Schmidt, A. Schlehahn, M. Gschrey, P. Schnauber, J.-H. Schulze, A. Strittmatter, J. Beyer, S. Rodt, A. Carmele, A. Knorr, S. Reitzenstein. A bright triggered twin-photon source in the solid state. Nature Communications. 2017; 8:14870. https://doi.org/10.1038/ncomms14870
M. Moczała-Dusanowska, Ł. Dusanowski, O. Iff, T. Huber, S. Kuhn, T. Czyszanowski, C. Schneider, S. Höfling. Strain-tunable single-photon source based on a circular Bragg grating cavity with embedded quantum dots. ACS Photonics. 2020; 7: 3474–3480. https://doi.org/10.1021/acsphotonics.0c01465
X. Li, S. Liu, Y. Wei, J. Ma, C. Song, Y. Yu, R. Su, W. Geng, H. Ni, H. Liu, X. Su, Z. Niu, Y.-L. Chen, J. Liu. Bright semiconductor single-photon sources pumped by heterogeneously integrated micropillar lasers with electrical injections. Light Sci. Appl. 2023; 12: 65. https://doi.org/10.1038/s41377-023-01110-9
F. Liu, A. J. Brash, J. O’Hara, L.M.P.P. Martins, C. L. Phillips, R. J. Coles, B. Royall, E. Clarke, C. Bentham, N. Prtljaga, I. E. Itskevich, L. R. Wilson, M. S. Skolnick, A. M. Fox. High Purcell factor generation of indistinguishable on-chip single photons. Nature Nanotechnology. 2018; 13: 835–840. https://doi.org/10.1038/s41565-018-0188‑x
Центры окраски в алмазе
Color centers in diamond
A. Komarovskikh, V. Nadolinny, V. Plyusnin, Y. Palyanov, M. Rakhmanova. Photoluminescence of HPHT diamonds synthesized in the Mg-Ge-C system. Diamond and Related Materials. 2017; 79:145–149. https://doi.org/10.1016/j.diamond.2017.09.012
A. M. Zaitsev. Optical properties of diamond: a data handbook. Springer: Berlin, New York. 2001. https://doi.org/10.1007/978-3-662-04548-0
A. M. Zaitsev. Vibronic spectra of impurity-related optical centers in diamond. Phys. Rev. B. 2000; 61:12909–12922. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.61.12909
I. Aharonovich, A. D. Greentree, S. Prawer. Diamond photonics. Nature Photonics. 2011; 5: 397–405. https://doi.org/10.1038/nphoton.2011.54
E. Wu, J. R. Rabeau, G. Roger, F. Treussart, H. Zeng, P. Grangier, S. Prawer, J.-F. Roch. Room temperature triggered single-photon source in the near infrared. New J. Phys. 2007; 9: 434–434. https://doi.org/10.1088/1367-2630/9/12/434
R. Nelz, J. Görlitz, D. Herrmann, A. Slablab, M. Challier, M. Radtke, M. Fischer, S. Gsell, M. Schreck, C. Becher, E. Neu. Toward wafer-scale diamond nano- and quantum technologies. APL Materials. 2019; 7: 011108. https://doi.org/10.1063/1.5067267
S. D. Trofimov, S. A. Tarelkin, S. V. Bolshedvorskii, V. S. Bormashov, S. Yu. Troshchiev, A. V. Golovanov, N. V. Luparev, D. D. Prikhodko, K. N. Boldyrev, S. A. Terentiev, A. V. Akimov, N. I. Kargin, N. S. Kukin, A. S. Gusev, A. A. Shemukhin, Y. V. Balakshin, S. G. Buga, V. D. Blank. Spatially controlled fabrication of single NV centers in IIa HPHT diamond. Opt. Mater. Express. 2020; 10: 198. https://doi.org/10.1364/OME.10.000198
J. Achard, V. Jacques, A. Tallaire. CVD diamond single crystals with NV centres: a review of material synthesis and technology for quantum sensing applications. Journal of Physics D: Applied Physics. 2020; 53: 313001. https://doi.org/10.1088/1361-6463/ab81d1
Сбор излучения NV-центра
NV Center radiation collection
R. P. Mildren, J. R. Rabeau et al. Optical Engineering of Diamond. – Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA. Weinheim. Germany. 2013. https://doi.org/10.1002/9783527648603
M. Jamali, I. Gerhardt, M. Rezai, K. Frenner, H. Fedder, J. Wrachtrup. Microscopic diamond solid-immersion-lenses fabricated around single defect centers by focused ion beam milling. Review of Scientific Instruments. 2014; 85: 123703. https://doi.org/10.1063/1.4902818
A. V. Golovanov, V. S. Bormashov, N. V. Luparev, S. A. Tarelkin, S. Y. Troschiev, S. G. Buga, V. D. Blank. Diamond Microstructuring by Deep Anisotropic Reactive Ion Etching. Physica Status Solidi (a). 2018;215: 1800273. https://doi.org/10.1002/pssa.201800273
Z. Liu, T.-F. Zhu, Y.-F. Wang, I. Ahmed, Z. Liu, F. Wen, X. Zhang, W. Wang, S. Fan, K. Wang, H.-X. Wang. Fabrication of Diamond Submicron Lenses and Cylinders by ICP Etching Technique with SiO2 Balls Mask. Materials. 2019; 12: 1622. https://doi.org/10.3390/ma12101622
T.-Y. Huang, R. R. Grote, S. A. Mann, D. A. Hopper, A. L. Exarhos, G. G. Lopez, G. R. Kaighn, E. C. Garnett, L. C. Bassett. A monolithic immersion metalens for imaging solid-state quantum emitters. Nature Communicatons. 2019; 10: 2392. https://doi.org/10.1038/s41467-019-10238-5
A. M. Romshin, A. V. Gritsienko, A. S. Ilin, R. K. Bagramov, V. P. Filonenko, A. G. Vitukhnovsky, I. I. Vlasov. Enhancing single-photon emission of silicon-vacancy centers in nanodiamonds by a gold film. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2023; 16 (1.3): 135–139. https://doi.org/10.18721/JPM.161.323
A. Romshin, A. Gritsenko, P. Lega, A. Orlov, A. Ilin, A. Martyanov, V. Sedov, I. Vlasov, A. Vitukhnovsky. Effectively enhanced emission from silicon-vacancy centers in a hybrid diamond-in-pit microstructure. Laser Physics Letters. 2022; 20(1): 015206. https://doi.org/10.1088/1612-202X/acabcd
A. A. Zhivopistsev, A. M. Romshin, A. V. Gritsienko, P. V. Lega, R. Kh. Bagramov, V. P. Filonenko, A. G. Vitukhnovsky, I. I. Vlasov. Single photon emission of “silicon-vacancy” centers in nanodiamonds placed in cylindrical pits on a gold film. St. Petersburg State Polytechnical University Journal. Physics and Mathematics. 2024; 17(1):100–104. https://doi.org/10.18721/JPM.171.116
D. Yu. Fedyanin, M. Agio. Ultrabright single-photon source on diamond with electrical pumping at room and high temperatures. New Journal of Physics. 2016; 18: 073012. http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1367-2630/18/7/073012
I. A. Khramtsov, M. Agio, D. Yu. Fedyanin. Dynamics of single-photon emission from electrically pumped color centers. Phys. Rev. Appl. 2017; 8: 024031. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.8.024031
I. A. Khramtsov, D. Y. Fedyanin. Superinjection in diamond p-i-n diodes: bright single-photon electroluminescence of color centers beyond the doping limit. Phys. Rev. Appl. 2019; 12: 024013. https://doi.org/10.1103/physrevapplied.12.024013
СС-центры и G-центры в кремнии
CC centers and G centers in silicon
D. Timerkaeva, C. Attaccalite, G. Brenet, D. Caliste, P. Pochet. Structural, electronic, and optical properties of the C–C complex in bulk silicon from first principles. J. Appl. Phys. 2018; 123(16): 161421. https://doi.org/10.1063/1.5010269
M. Hollenbach, Y. Berencén, U. Kentsch, M. Helm, G. V. Astakhov. Engineering telecom single-photon emitters in silicon for scalable quantum photonics. Optics Express. 2020; 28(18): 26111–26121. https://doi.org/10.1364/OE.397377
Карбид кремния, silicon vacancies in 4H- and 6H-SiC
Silicon carbide, silicon vacancies in 4H- and 6H-SiC
S. Castelletto, B. C. Johnson, V. Ivády, N. Stavrias, T. Umeda, A. Gali, T. Ohshima. A silicon carbide room-temperature single-photon source. Nature Materials. 2013; 13: 151–156. https://doi.org/10.1038/nmat3806
F. Fuchs, V. A. Soltamov, S. Väth, P. G. Baranov, E. N. Mokhov, G. V. Astakhov, V. Dyakonov. Silicon carbide light-emitting diode as a prospective room temperature source for single photons. Scientific Reports. 2013; 3:1637. https://doi.org/10.1038/srep01637
F. Fuchs, B. Stender, M. Trupke, D. Simin, J. Pflaum, V. Dyakonov, G. V. Astakhov. Engineering near-infrared single-photon emitters with optically active spins in ultrapure silicon carbide. Nature Communications. 2015; 6(1): 7578. https://doi.org/10.1038/ncomms8578
G. Calusine, A. Politi, D. D. Awschalom. Silicon carbide photonic crystal cavities with integrated color centers. Appl. Phys. Lett. 2014; 105: 011123. https://doi.org/10.1063/1.4890083
I. Aharonovich, S. Castelletto, D. A. Simpson, A. D. Greentree, S. Prawer. Photophysics of chromium-related diamond single-photon emitters. Phys. Rev. A. 2010; 81: 043813. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.81.043813
Об АВТОРЕ
В. Г. Криштоп; e-mail: vladimir.krishtop@infotecs.ru.
ORCID: 0000-0001-6063-2657
Отзывы читателей
