Cavity QED with Single NV Defect Centers and a Micro-toroidal Cavity
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurde ein neuartiges hybrides Modellsystem für die Resonator-Quantenelektrodynamik (Cavity-QED) realisiert. Als zwei Materialkomponenten wurden Mikroresonatoren aus SiO2 und einzelne Defektzentren in Diamant verwendet. Im Zentrum der durchgeführten Arbeiten standen eine Technologieentwicklung für die verlässliche Herstellung integrierter optischer Mikroresonatoren mit hohen Gütefaktoren, die Etablierung von Methoden, um die Resonatoren mit einzelnen Defektzentren in Nanodiamanten zu funktionalisieren sowie schließlich die Untersuchung von quantenelektrodynamischen Eigenschaften des gekoppelten Systems. Als Ergebnisse lassen sich festhalten: • Eine Technologieplattform für die Herstellung von integrierten Mikroresonatoren und integrierten Wellenleitern basierend auf SiO2 auf Si wurde realisiert. • Ein konfokaler Fluoreszenzmessplatz zur Untersuchung quantenoptischer Eigenschaften von hybriden Festkörper-Cavity-QED-Systemen von Raumtemperatur bis unter 10K wurde aufgebaut. • Zwei komplementäre Methoden zur Kopplung einzelner Defektzentren an optische Mikroresonatoren wurden etabliert und zur Funktionalisierung der hybriden Systeme eingesetzt. • Untersuchungen zur Modifikation der spontanen Emission im Cavity-QED-Regime der schwachen Kopplung wurden durchgeführt. Basierend auf den Projektergebnissen wurden zwei Nachfolgeprojekte begonnen. Eines in Kooperation mit dem Ferdinand-Braun-Institut, Berlin-Adlershof, ist anwendungsorientiert mit dem Ziel die Technologie für optische SiO2-Mikrostrukturen soweit zu entwickeln, dass sie unmittelbar von Industriepartnern aufgegriffen werden kann. Ein Anwendungspotenzial wird in der Laserstabilisierung, der Frequenzkammgeneration und der Lasersensorik gesehen. Es ist bereits ein Anmeldungsentwurf für ein Patent eingereicht. Eher grundlagenorientierte Arbeiten zu den quantenoptischen Eigenschaften von Defektzentren in Diamant werden derzeit in einer DFG-Forschergruppe fortgeführt. Im Projektverlauf zeigte sich zum einen die große Robustheit der Cavity-QED-Systeme auch bei Raumtemperatur. Zum anderen wurde die sehr ausgeprägte spektrale Diffusion der Emissionslinie in Defektzentren in Nanodiamanten als problematisch identifiziert. Hier sind weitergehende Untersuchungen zum Zusammenhang zwischen Materialqualität und spektraler Diffusion sowie zur aktiven Stabilisierung von Emissionslinien einzelner Festkörperemitter erforderlich.
Publications
- On-demand positioning of a preselected quantum emitter on a fiber-coupled toroidal microresonator, Applied Physics Letters 95, 153110 (2009)
M. Gregor, R. Henze, T. Schröder, and O. Benson
- Soft-landing and optical characterization of a preselected single fluorescent particle on a tapered optical fiber, Optics Express 17, 24234-24243 (2009)
M. Gregor, A. Kuhlicke, and O. Benson
- An alignment-free fiber-coupled microsphere resonator for gas sensing applications, Applied Physics Letters 96, 231102 (2010)
M. Gregor, C. Pyrlik, R. Henze, A. Wicht, A. Peters, and O. Benson
- Tuning whispering gallery modes using internal aerostatic pressure, Optics Letters 36, 4536-4538 (2011)
R. Henze, T. Seifert, J. Ward, and O. Benson
- WGM microresonators: sensing, lasing and fundamental optics with microspheres, Laser & Photonics Reviews 5, (2011)
J. Ward, and O. Benson
- Fine-tuning of whispering gallery modes in on-chip silica microdisk resonators within a full spectral range, Appl. Phys. Lett. 102, 041104 (2013)
R. Henze, C. Pyrlik, A. Thies, J. M. Ward, A. Wicht, O. Benson
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4789755)
