Efficienza della piattaforma GeV-DLSPPW rispetto ad altri sistemi quantistici ibridi, a) è stata osservata la dipendenza del tasso di decadimento plasmonico simulato per il centro GeV accoppiato DLSPPW. L'inserto mostrava la sezione trasversale di un emettitore dipolo orientato a y situato all'interno della guida d'onda DLSPPW, b) profilo di distribuzione dell'efficienza di emissione (fattore β) per una distribuzione all'interno del centro GeV all'interno di un nanodiamante, dove ogni quadrato colorato rappresentava il valore centrale della corrispondente posizione di dipolo nel piano, c) cifra di merito (FOM) e lunghezza di trasmissione di sistemi plasmonici quantistici ibridi di GeV-DLSPPW sul cristallo di Ag rispetto ad altri sistemi ibridi a guida d'onda plasmonica a emettitore quantistico (QE PW). Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Gli emettitori quantistici possono essere integrati in circuiti plasmonici monolitici su nanoscala tramite configurazioni plasmoniche a bassa perdita per confinare la luce ben al di sotto del limite di diffrazione. Nella plasmonica quantistica integrata, le guide d'onda basate sui modi SPP (surface plasmon polariton) che propagano le onde elettromagnetiche lungo le interfacce metallo-dielettrico o metallo-aria sono superiori alle guide d'onda fotoniche basate sul dielettrico (e quindi limitate alla diffrazione). L'osservazione riguarda il miglioramento Purcell disponibile dagli emettitori quantistici incorporati e la tendenza in corso verso l'integrazione e la miniaturizzazione su chip per realizzare l'elaborazione del segnale ottico e circuiti integrati. Sono state sviluppate diverse configurazioni metallo-dielettrico per forti interazioni luce-materia alla scala del singolo fotone per supportare la propagazione di modi plasmonici confinati oltre il limite di diffrazione. La proprietà può consentire a prospettive uniche di progettare sistemi di elaborazione del segnale fotonico altamente integrati, sensori e tecniche di imaging ottico con risoluzione su scala nanometrica.
Una varietà di strutture basate su SPP create in passato includono nanofili metallici (NW), NO paralleli, Scanalature a V (VG) e guide d'onda a cuneo che hanno dimostrato una guida plasmonica singola per potenziali applicazioni quantistiche. La realizzazione pratica di tale fotonica quantistica integrata è rimasta sfuggente a causa di diverse sfide, comprese le elevate perdite di propagazione dei modi SPP e il controllo limitato sui singoli emettitori quantistici. Più recentemente, studi hanno nanofabbricato a bassa perdita, guide d'onda SPP caricate dielettriche (DLSPPW) strutturate su un film d'argento per semplici circuiti plasmonici quantistici composti da nanodiamanti incorporati con centri di vacanza di azoto.
Ora scrivendo Scienza e applicazioni della luce , Hamidreza Siampour e collaboratori hanno fatto un passo avanti nel campo della plasmonica quantistica integrata dimostrando l'accoppiamento su chip tra una singola sorgente di fotoni e la guida d'onda plasmonica. Nell'approccio, i fisici hanno progettato un nanodiamante con un centro di germanio vacante (GeV) che emette singoli fotoni, incorporato all'interno di una guida d'onda plasmonica composta da idrogeno silsesquiossano dielettrico (HSQ) sopra uno strato di argento fabbricato mediante litografia a fascio di elettroni. Quando una luce laser verde (532 nm) è stata accoppiata a un'estremità della guida d'onda tramite accoppiatori a reticolo per propagarsi al nanodiamante, ha eccitato il centro GeV, che emetteva un singolo fotone che si accoppiava nel modo plasmonico della guida d'onda. Nel lavoro, i ricercatori hanno ottenuto lunghe lunghezze di trasmissione della guida d'onda (33 µm) e un accoppiamento efficiente (56 percento) per aprire nuove strade nello sviluppo di circuiti quantistici basati su chip.
Trasmissione di luce laser verde (532 nm) lungo la guida d'onda plasmonica a bassa perdita, a) Immagine SEM di un singolo fiocco cristallino (in alto) e guida d'onda DLSPP fabbricata in cima alla piastra Ag (in basso), b) caratterizzazione ottica della guida d'onda per polarizzazioni parallele (in alto) e perpendicolari (in basso) della luce laser a 532 nm, c) immagini al microscopio in campo chiaro delle guide d'onda fabbricate di diverse lunghezze sul fiocco di Ag (l'inserto mostra un'immagine degli accoppiatori a reticolo all'estremità delle guide d'onda utilizzate per massimizzare l'efficienza di accoppiamento dei DLSPPW), d) lunghezza di propagazione misurata di 11,8 µm per il DLSPPW sul fiocco di Ag a 532 nm. Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Lo studio è stato il primo a dettagliare la sintesi e la caratterizzazione dei nanodiamanti GeV. I nanodiamanti sono stati prodotti utilizzando l'alta pressione, metodo ad alta temperatura (HPHT); Ge è stato introdotto durante il processo di crescita per incorporare singoli centri GeV. Gli scienziati hanno proposto e dimostrato un approccio ibrido per la nanofabbricazione utilizzando DLSPPW strutturato su cristalli singoli di argento (Ag) che ha notevolmente ridotto i tassi di smorzamento SPP, rispetto ai film di Ag fabbricati con altre tecniche. Il metodo ha facilitato una propagazione SPP sufficientemente lunga alle lunghezze d'onda di eccitazione ed emissione dei centri GeV in nanodiamanti incorporati all'interno di un chip plasmonico.
La struttura del nano GeV sintetico e dei microdiamanti è stata osservata nel campione grezzo utilizzando la microscopia elettronica a scansione (SEM) e la microscopia elettronica a trasmissione (TEM). I nanodiamanti sintetici sono stati rivestiti con rotazione su wafer di silicio rivestiti con Ag e scansionati con microscopia a fluorescenza confocale. I dati misurati hanno indicato ultrabrillante, sorgenti di singolo fotone spettralmente strette e stabili basate su singoli centri GeV nei nanodiamanti, adatto per circuiti altamente integrati. Le caratteristiche di polarizzazione dei nanodiamanti GeV sono state misurate utilizzando un analizzatore nel percorso di rilevamento per determinare la proiezione di singoli fotoni emessi sul piano superficiale. I dati misurati per un singolo nanodiamante GeV si adattano alle caratteristiche di polarizzazione del modello dei centri di colore del diamante in base agli elementi del gruppo IV nella tavola periodica (ad es. germanio-vacanza GeV, e stagno vacante SnV).
Caratterizzazione dei nanodiamanti:a) Immagini SEM dei nano e microdiamanti GeV del campione grezzo dopo sintesi HPHT, l'immagine TEM è visibile nel riquadro. b) l'atomo di Ge si trova nel mezzo di due siti reticolari vuoti, che include la simmetria di inversione, c) il sistema include una struttura elettronica e transizioni ottiche simili alla famiglia dei centri di colore del diamante del gruppo IV, d) la velocità di fotoni normalizzata per un singolo nanodiamante GeV nel piano Ag rispetto all'angolo dell'analizzatore, misurato (punto) e adattamento del modello (solido). Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
La capacità osservata per l'emissione di un singolo fotone nei nanocristalli di diamante può consentire sistemi ibridi quanto-plasmonici che possono facilitare l'eccitazione remota dei centri GeV incorporati in un chip plasmonico. Siamp et al. ha elegantemente dimostrato l'efficiente erogazione a lungo raggio del sistema GeV-DLSPPW rispetto ad altri sistemi plasmonici quantistici ibridi. Nello studio è stata rivelata un'eccezionale cifra di merito (FOM) di 180 a causa di un miglioramento di Purcell di ~sei volte, Efficienza di accoppiamento del 56% e lunghezza di trasmissione di ~33 µm a una lunghezza d'onda ( ? ) di 602 nm.
La litografia a fascio di elettroni è stata utilizzata per fabbricare le guide d'onda con HSQ resist su substrati rivestiti di Ag per contenere i nanodiamanti con singoli centri GeV, aggiunti tramite posizionamento controllato nel dispositivo. La tecnologia ha fornito una precisione di posizionamento di ~30 nm, migliorato tramite osservazioni con immagini SEM, limitato dalle dimensioni dei nanodiamanti, che potrebbe essere fabbricato fino a 1 nm utilizzando la tecnologia sintetica del diamante esistente. La guida d'onda fabbricata è stata visualizzata con microscopia a forza atomica (AFM) e con una fotocamera con dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD) dopo l'eccitazione del nanodiamante tramite un laser a pompa verde.
Eccitazione su chip di un singolo nanodiamante GeV (ND) assegnato tramite posizionamento controllato in un dispositivo fabbricato con idrogeno silsesquiossano (HSQ) sopra un film di Ag a) il layout del campione e il principio di funzionamento dell'eccitazione diretta di un nanodiamante GeV incorporato in una guida d'onda plasmonica, b) Immagine AFM della guida d'onda fabbricata (a sinistra), Immagine CCD dell'intera struttura in cui viene eccitato il nanodiamante (a destra). I tre punti ND, A e B hanno mostrato l'eccitazione e l'emissione dell'emettitore GeV (ND) e l'accoppiamento di GeV alla modalità DLSPPW, propagazione e radiazione disaccoppiata dalle due estremità (A e B). Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Inoltre, gli autori hanno utilizzato un singolo fiocco di Ag cristallino invece di un film di Ag per migliorare significativamente la lunghezza di propagazione del DLSPPW. La luce laser verde che trasmette attraverso la modalità DLSPPW è stata caratterizzata otticamente come polarizzazione lungo l'asse della guida d'onda. La trasmissione è stata misurata per diverse guide d'onda di lunghezze variabili per mostrare lunghezze di propagazione straordinarie (~ 11,8 µm) per la luce laser verde attraverso il DLSPPW a bassa perdita.
Illustrazione schematica del layout del dispositivo e del principio di funzionamento per l'eccitazione su chip di un nanodiamante. Il nanodiamante trasporta emettitori quantistici di GeV singoli spettralmente stretti incorporati in una guida d'onda DLSPP. Credito:Scienze e applicazioni della luce, doi:10.1038/s41377-018-0062-5.
Utilizzando una configurazione simile, gli scienziati hanno proceduto a dimostrare e confermare l'eccitazione remota del centro GeV accoppiata alla modalità DLSPPW. Successivamente, il tasso di decadimento GeV è stato simulato utilizzando il metodo di modellazione agli elementi finiti (FEM) ed è stato previsto un tasso di decadimento fino a quattro volte per un centro GeV nella guida d'onda rispetto alla sua emissione nel vuoto. Il sistema ha dimostrato prestazioni superiori rispetto ai sistemi precedentemente dimostrati, il fattore di Purcell osservato può essere ulteriormente potenziato in studi futuri utilizzando un dielettrico con indice di rifrazione maggiore come il biossido di titanio (TiO 2 ).
Lo studio apre la strada all'integrazione di un laser di eccitazione, emettitore quantistico e circuito plasmonico sullo stesso chip. Le strategie precedenti hanno dimostrato il rilevamento di singoli plasmoni e l'interferenza di due plasmoni su un chip. Combinando tutte e tre le tecnologie su un singolo chip, gli autori prevedono che nel prossimo futuro sarà possibile integrare tutti gli elementi di un circuito plasmonico quantistico su un chip.
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