Eficiência da plataforma GeV-DLSPPW em comparação com outros sistemas quânticos híbridos, a) a dependência da taxa de decaimento plasmônica simulada foi observada para o centro de GeV acoplado DLSPPW. A inserção mostrou a seção transversal de um emissor dipolo orientado em y localizado dentro do guia de onda DLSPPW, b) perfil de distribuição da eficiência de emissão (fator β) para uma distribuição dentro do centro GeV dentro de um nanodiamante, onde cada quadrado colorido representou o valor central da posição dipolo no plano correspondente, c) figura de mérito (FOM) e comprimento de transmissão de sistemas plasmônicos quânticos híbridos de GeV-DLSPPW no cristal de Ag em comparação com outros sistemas híbridos de guia de onda plasmônica de emissor quântico (QE PW). Crédito:Light Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
Emissores quânticos podem ser integrados em circuitos plasmônicos em nanoescala monolíticos por meio de configurações plasmônicas de baixa perda para confinar a luz bem abaixo do limite de difração. Em plasmônica quântica integrada, os guias de ondas baseados em modos de polariton de plasmon de superfície (SPP) que propagam ondas eletromagnéticas ao longo de interfaces metal-dielétricas ou metal-ar são superiores aos guias de ondas fotônicos baseados em dielétricos (e, portanto, limitados por difração). A observação é em relação ao aprimoramento de Purcell disponível de emissores quânticos embutidos e a tendência contínua de integração e miniaturização no chip para realizar processamento de sinal óptico e circuitos integrados. Diferentes configurações metal-dielétricas foram desenvolvidas para fortes interações luz-matéria na escala do único fóton para apoiar a propagação de modos plasmônicos confinados além do limite de difração. A propriedade pode permitir que clientes em potencial projetem sistemas de processamento de sinais fotônicos altamente integrados, sensores e técnicas de imagem óptica com resolução em nanoescala.
Uma variedade de estruturas baseadas em SPP criadas no passado incluem nanofios de metal (NW), NWs paralelos, Ranhuras em V (VGs) e guias de onda em cunha que demonstraram orientação de plasmon único para potenciais aplicações quânticas. A realização prática de tal fotônica quântica integrada permaneceu indescritível devido a vários desafios, incluindo altas perdas de propagação de modos SPP e o controle limitado em emissores quânticos únicos. Mais recentemente, estudos têm nanofabricados de baixa perda, Guias de onda SPP carregados com dielétrico (DLSPPWs) estruturados em um filme de prata para circuitos plasmônicos quânticos simples compostos de nanodiamantes incorporados com centros de vacância de nitrogênio.
Agora escrevendo em Ciência leve e aplicações , Hamidreza Siampour e colegas de trabalho deram um passo à frente no campo da plasmônica quântica integrada, demonstrando o acoplamento no chip entre uma única fonte de fóton e o guia de onda plasmônica. Na abordagem, os físicos projetaram um nanodiamante com um centro de vacância de germânio (GeV) que emite fótons individuais, incorporado dentro de um guia de onda plasmônico composto de silsesquioxano dielétrico de hidrogênio (HSQ) sobre uma camada de prata fabricada usando litografia de feixe de elétrons. Quando uma luz laser verde (532 nm) foi acoplada a uma extremidade do guia de onda por meio de acopladores de grade para se propagar para o nanodiamante, entusiasmou o centro GeV, que emitiu um único fóton que se acoplou ao modo plasmon do guia de ondas. No trabalho, os pesquisadores alcançaram comprimentos de transmissão de guia de onda longos (33 µm) e acoplamento eficiente (56 por cento) para abrir novos caminhos no desenvolvimento de circuitos quânticos baseados em chip.
Transmissão de luz laser verde (532 nm) ao longo do guia de onda plasmônica de baixa perda, a) Imagem SEM de um único floco cristalino (parte superior) e guia de onda DLSPP fabricado no topo da placa de Ag (parte inferior), b) caracterização óptica do guia de onda para polarizações paralelas (superior) e perpendiculares (inferior) de luz laser de 532 nm, c) imagens de microscopia de campo claro dos guias de ondas fabricados de diferentes comprimentos no floco de Ag (a inserção mostra uma imagem dos acopladores de grade no final dos guias de ondas usados para maximizar a eficiência de acoplamento de DLSPPWs), d) comprimento de propagação medido de 11,8 µm para o DLSPPW no floco de Ag a 532 nm. Crédito:Light Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
O estudo foi o primeiro a detalhar a síntese e caracterização dos nanodiamantes GeV. Os nanodiamantes foram produzidos usando alta pressão, método de alta temperatura (HPHT); Ge foi introduzido durante o processo de crescimento para incorporar centros GeV únicos. Os cientistas propuseram e demonstraram uma abordagem híbrida para nanofabricação usando DLSPPW estruturado em cristais de prata (Ag) simples que reduziram consideravelmente as taxas de amortecimento de SPP, em comparação com os filmes de Ag fabricados por outras técnicas. O método facilitou a propagação de SPP suficientemente longa nos comprimentos de onda de excitação e emissão de centros GeV em nanodiamantes incorporados em um chip plasmônico.
A estrutura do GeV sintético nano e microdiamante foi observada na amostra bruta usando microscopia eletrônica de varredura (MEV) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM). Nanodiamantes sintéticos foram revestidos por spin em bolachas de silício revestidas com Ag e digitalizados com microscopia de fluorescência confocal. Os dados medidos indicaram ultrabright, fontes de fóton único espectralmente estreitas e estáveis com base em centros GeV únicos nos nanodiamantes, adequado para circuitos altamente integrados. As características de polarização dos nanodiamantes GeV foram medidas usando um analisador na via de detecção para determinar a projeção de fótons únicos emitidos no plano da superfície. Os dados medidos para um único nanodiamante GeV se ajustam às características de polarização do modelo de centros de cores de diamante com base em elementos do grupo IV na tabela periódica (por exemplo, vacância de silício SiV, vacância de germânio GeV, e SnV com vacância de estanho).
Caracterização dos nanodiamantes:a) Imagens SEM do GeV nano e microdiamantes da amostra bruta após a síntese de HPHT, a imagem TEM é vista inserida. b) o átomo de Ge está localizado no meio de dois sítios de rede vazios, que inclui simetria de inversão, c) o sistema inclui uma estrutura eletrônica e transições ópticas semelhantes à família do grupo IV de centros de cores de diamante, d) a taxa de fótons normalizada para um único nanodiamante GeV no plano Ag versus o ângulo do analisador, medido (ponto) e ajuste do modelo (sólido). Crédito:Light Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
A capacidade observada para emissão de fóton único em nanocristais de diamante pode permitir sistemas híbridos quânticos-plasmônicos que podem facilitar a excitação remota dos centros GeV incorporados em um chip plasmônico. Siampour et al. elegantemente demonstrou a entrega eficiente de longo alcance do sistema GeV-DLSPPW em comparação com outros sistemas plasmônicos quânticos híbridos. Uma figura de mérito excepcional (FOM) de 180 foi revelada no estudo devido a um aumento de Purcell de ~ seis vezes, 56 por cento de eficiência de acoplamento e comprimento de transmissão de ~ 33 µm em um comprimento de onda ( λ ) de 602 nm.
Litografia de feixe de elétrons foi usada para fabricar os guias de onda com resistência HSQ em substratos revestidos com Ag para conter os nanodiamantes com centros GeV únicos - adicionados por meio de colocação controlada no dispositivo. A tecnologia forneceu precisão de aproximadamente 30 nm na colocação, aprimorado por meio de observações com imagens SEM, limitado pelo tamanho dos nanodiamantes, que poderia ser fabricado em até 1 nm usando a tecnologia sintética de diamante existente. O guia de onda fabricado foi visualizado com microscopia de força atômica (AFM) e com uma câmera de dispositivo de carga acoplada (CCD) após excitação de nanodiamantes por meio de uma bomba de laser verde.
Excitação no chip de um único nanodiamante GeV (ND) atribuído por meio de colocação controlada em um dispositivo fabricado com silsesquioxano de hidrogênio (HSQ) sobre o filme de Ag a) o layout da amostra e o princípio de funcionamento da excitação direta de um nanodiamante GeV incorporado em um guia de onda plasmônica, b) Imagem AFM do guia de onda fabricado (à esquerda), Imagem CCD de toda a estrutura onde o nanodiamante está excitado (direita). Os três pontos ND, A e B mostraram excitação e emissão do emissor GeV (ND), bem como acoplamento de GeV ao modo DLSPPW, propagação e radiação não acoplada das duas extremidades (A e B). Crédito:Light Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
Adicionalmente, os autores usaram um único floco cristalino de Ag em vez de um filme de Ag para aumentar significativamente o comprimento de propagação do DLSPPW. A transmissão de luz laser verde através do modo DLSPPW foi opticamente caracterizada como polarização ao longo do eixo do guia de ondas. A transmissão foi medida para vários guias de ondas de comprimentos variados para mostrar comprimentos de propagação extraordinários (~ 11,8 µm) para a luz laser verde através do DLSPPW de baixa perda.
Ilustração esquemática do layout do dispositivo e princípio de funcionamento para excitação no chip de um nanodiamante. O nanodiamante carrega emissores quânticos únicos GeV espectralmente estreitos incorporados em um guia de onda DLSPP. Crédito:Light Science &Applications, doi:10.1038 / s41377-018-0062-5.
Usando uma configuração semelhante, os cientistas procederam à demonstração e confirmação da excitação remota do centro GeV acoplado ao modo DLSPPW. Subseqüentemente, a taxa de decaimento de GeV foi simulada usando o método de modelagem de elemento finito (FEM) e uma taxa de decaimento de até quatro vezes foi prevista para um centro de GeV no guia de ondas em comparação com sua emissão no vácuo. O sistema demonstrou desempenho superior quando comparado com sistemas demonstrados anteriormente, o fator de Purcell observado pode ser ainda mais aprimorado em estudos futuros, usando um dielétrico de índice de refração maior, como o dióxido de titânio (TiO 2 )
O estudo abre caminho para integrar um laser de excitação, emissor quântico e circuito plasmônico no mesmo chip. Estratégias anteriores demonstraram a detecção de plasmons únicos e interferência de dois plasmon em um chip. Ao combinar as três tecnologias em um único chip, os autores imaginam que será possível integrar todos os elementos de um circuito plasmônico quântico em um chip em um futuro próximo.
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