Gepulste elektrisch angetriebene Einzelphotonenquellen in Diamant

• Antragsteller: Dr. Dmitry Fedyanin, Ph.D. (†)
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung von 2023 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 527140061

Effiziente optoelektronische Geräte, die die Quantennatur des Lichts ausnutzen, sind für neu entstehende Quantentechnologien sehr gefragt. Eines der wesentlichen Elemente dieser Geräte ist eine deterministische Einzelphotonenquelle (SPS), die zu bestimmten Zeiten optische Pulse mit ausschließlich einem Photon erzeugt. Eine solche SPS kann unter Verwendung eines Quantensystems entwickelt werden, das zur Emission einzelner Photonen fähig ist. Aus praktischer Sicht ist es wünschenswert, dass das System durch kurze elektrische Pulse angeregt wird, da elektrisches Pumpen die einzige Möglichkeit ist, eine hohe Energieeffizienz, Integrierbarkeit und Skalierbarkeit von SPS zu erreichen. Farbzentren im Diamanten haben sich als eines der vielversprechendsten Quantensysteme für praktische SPS erwiesen. Es hat sich gezeigt, dass diese Emitter elektrisch angeregt werden können und bei Raumtemperatur und sogar bei höheren Temperaturen eine hohe Helligkeit aufweisen. Alle Studien über Farbzentren befassten sich jedoch nur mit dem stationären Gleichstrom (DC) Regime, bei dem Photonen zu zufälligen Zeitpunkten emittiert werden, während die meisten praktischen Anwendungen erfordern, dass die SPS einzelne nach Bedarf erzeugen. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, zum ersten Mal die Möglichkeit der deterministischen Erzeugung von Einzelphotonenpulsen aus einzelnen NV- und SiV-Zentren im Diamant unter gepulster elektrischer Anregung theoretisch zu untersuchen und zu zeigen, wie diese Pulse mit einer hohen Rate erzeugt werden können. Unsere jüngsten vorläufigen Ergebnisse zeigen, dass aufgrund der außergewöhnlich geringen Dichte freier Elektronen in Diamantbauelementen herkömmliche Fabrzentrum-Anregungsschemata, bei denen ein Farbzentrum im i-Typ Bereich einer p-i-n Diode platziert ist, grundsätzlich nicht zur effizienten Erzeugung von Ein-Photonen-Pulsen mit hoher Wiederholungsrate verwendet werden können, obwohl mit solchen Schemata mehr als 10^6 Photonen/s zu zufälligen Zeiten im DC Regime erzeugt werden können. Wir werden zunächst die Grenzen von Diamant-Einzelphoton-Emissionsdioden (SPEDs) auf der Grundlage herkömmlicher p-i-n Strukturen aufzeigen, wie die maximal mögliche Erzeugungsrate von Einzelphotonenpulsen und deren maximale Einzelphotonen Reinheit. Anschließend werden wir die bisher verwendeten Konstruktionsprinzipien der SPEDs überdenken, um die Einzelphotonen Reinheit der emittierten Pulse bei einer hohen Erzeugungsrate zu erhöhen. Insbesondere werden wir uns auf p-n- und Schottky-Dioden anstelle der üblicherweise verwendeten p-i-n Strukturen konzentrieren. Wir erwarten, numerisch zu demonstrieren, dass solche Strukturen die Möglichkeit bieten, eine Einzelphotonen Reinheit der emittierten Pulse von mehr als 95 % (d.h. die Wahrscheinlichkeit, dass zwei oder mehr Photonen pro Puls erzeugt werden, liegt unter 5%) bei einer Erzeugungsrate von 10^4-10^5 Einzelphotonenpulsen pro Sekunde bei Raumtemperatur zu erreichen.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle