Silizium-Vakanz Farbzentren in Phosphor-dotiertem Diamant für helle Einzelphotonenemission unter elektrischem Pumpen

• Antragsteller: Professor Dr. Mario Agio
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 410405168

Effiziente und skalierbare Einzelphotonenquellen (EPQ) sind entscheidend für die Entwicklung zahlreicher Quanteninformationstechnologien wie optische Quantencomputer und sichere Kommunikationsleitungen. EPQ, die auf Quantenpunkten basieren, haben in den letzten zwei Jahrzehnten große Fortschritte gemacht, aber bei Raumtemperatur werden sie durch die jüngsten Fortschritte in Farbzentren in Diamant und verwandten Halbleitern mit großer Bandlücke überwunden. Farbzentren sind Punktdefekte im Kristallgitter, die sich fast wie isolierte Atome verhalten. Diese Eigenschaft ermöglicht eine helle Photo- und Elektrolumineszenz mit einem scharfen Emissionsspektrum, was mit keinem anderen quantenoptoelektronischen System unter Umgebungsbedingungen erreicht werden kann. Es ist jedoch immer noch eine Herausforderung, skalierbare und reproduzierbare Technologien auf der Basis dieser Emitter zu entwickeln. Insbesondere ist es schwierig, sie präzise mit photonischen und elektronischen Nanostrukturen zu kombinieren, die zum Erzielen einer hohen Helligkeit und Kontrolle benötigt werden.Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Untersuchung einer neuartigen Klasse heller EPQ auf Diamant, die unter Umgebungsbedingungen arbeiten und effizient elektrisch betrieben werden können. Das Projekt wird eine interdisziplinäre Zusammenarbeit generieren und basiert auf zwei kürzlich vorgeschlagenen Konzepten. Um die Emissionseigenschaften des Farbzentrums zu verbessern, werden wir zunächst eine Planarantenne verwenden, die große Extraktionseffizienzen und starke gerichtete Emission von Materialien mit einem großen Brechungsindex ermöglicht. Dieser Ansatz erfordert weder eine feine spektrale Abstimmung noch eine genaue Positionierung des Emitters im Nanobereich, was für die Herstellung und den Betrieb der Vorrichtung vorteilhaft ist. Zweitens werden wir ein neuartiges elektrisches Pumpschema basierend auf einer Schottky-Diode verwenden, das die Möglichkeit bietet, Minoritätsträger in Diamant direkt aus dem Metall effizient zu injizieren, und es erfordert keine komplexen und teuren p-i-n- und p-n-Diamantübergänge. Wir werden hochwertige Silizium-Vakanzen (SiV) in weniger als 100-nm-dicken Diamantmembranen erzeugen und eine planare Antenne mit Elektroden darauf bauen. Wir werden die Photonenemissionseigenschaften (Fokussierung auf Helligkeit, Direktionalität) unter optischen Pumpbedingungen untersuchen und die Möglichkeit der elektrischen Anregung von SiV-Zentren bei Raumtemperatur und höheren Temperaturen untersuchen. Daher werden wir einen Beweis für die Konzepte einer hocheffizienten EPQ-Technologie im Chip-Maßstab demonstrieren, die als neuartige photonische Quellen für Quanteninformation und Quantenkommunikation dienen und diese inspirieren wird. Unsere Aktivitäten werden auch wertvolles Wissen in Nanophotonik und Materialwissenschaften generieren, das auf andere Anwendungsgebiete übertragen werden soll.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Belgien, Italien, Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research
• Kooperationspartner: Dr. Dmitry Fedyanin, Ph.D. (†); Professor Dr. Lorenzo Giuntini; Professor Dr. Ken Haenen