近年來，量子技術(shù)不斷發(fā)展與演進(jìn)，已經(jīng)在朝量子集成及量子芯片領(lǐng)域發(fā)展，且目前已經(jīng)在單光子檢測器等器件中取得了重大進(jìn)展，然而，在單光子源領(lǐng)域中卻一直未有所突破。

通過納米金剛石獲得單光子源是眾多有效解決方法之一，其原理為：利用氮原子及其間隙來替代金剛石晶格中的碳原子，即所謂的氮空位中心，在其間隙中包含未配對的電子，該電子可以與外部電子結(jié)合形成一個量子力學(xué)自旋系統(tǒng)，從而在被綠光照射時發(fā)出紅色波長的單光子流。但與其他單光子源一樣，都無法實現(xiàn)對這些空位中心進(jìn)行大量并且彼此獨(dú)立的操作。

為了實現(xiàn)這一目標(biāo)，德國明斯特大學(xué)的Carsten Schuck等人通過一系列的研究與實驗成功將幾納米大小的金剛石集成到了一個納米光子集成網(wǎng)絡(luò)中，并成功展示了可以單獨(dú)操控每個金剛石獨(dú)立地發(fā)射單光子流，如圖1所示。

圖1 納米金剛石光子集成網(wǎng)絡(luò)示意圖

為了制備該光子網(wǎng)絡(luò)，Carsten Schuck等人在硅襯底頂部的五氧化二鉭薄膜上刻蝕了一系列的光子器件，其中每個光子器件都包含多個波導(dǎo)，并分別與光纖和具有空位中心的光子晶體腔相連。

此外為了制造晶體腔，研究人員首先在該芯片上涂覆了聚合物抗蝕劑；然后使用電子束光刻技術(shù)沿著五氧化二鉭的錐形部分以固定的周期切割了寬為240 nm孔形陣列；最后，將直徑為35 nm的人造金剛石填充到中心孔中（通過滴加含有“納米金剛石”的去離子水溶液）完成晶體腔的制備。

Carsten Schuck等人用532 nm的激光分別以透鏡入射和波導(dǎo)傳輸?shù)姆绞綄{米金剛石腔進(jìn)行照射，結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩種方式都會在705 nm附近觀察到腔體發(fā)射的尖峰，并且還證明了發(fā)射的光子具備有單光子源的特性：發(fā)射的光子已經(jīng)經(jīng)歷了反聚束作用，即兩個光子之間的延遲幾乎相等。

最后，研究人員發(fā)現(xiàn)該設(shè)備在一定頻率的微波狀態(tài)下時，氮空位中心的電子對進(jìn)入一對簡并態(tài)，從而導(dǎo)致在綠光照射下發(fā)射熒光的削弱。但是，如果將該設(shè)備放入磁場環(huán)境中，則簡并狀態(tài)會分裂，微波共振頻率也會發(fā)生變化，因此可以將其用于磁場檢測器中，但仍需對納米金剛石腔進(jìn)行深入的表征及校準(zhǔn)。

研究人員補(bǔ)充道：“對于單個設(shè)備而言，空位中心越多其應(yīng)用價值也就越大，比如多個空位中心會同時賦予脈沖激光器激活電子系統(tǒng)和記錄發(fā)射狀態(tài)的能力，并且對于兩個間距較大的設(shè)備而言，還可以實現(xiàn)并行且獨(dú)立的操控?！?他們認(rèn)為，在不久的將來，他們的技術(shù)應(yīng)該非常適合生產(chǎn)靈敏的量子磁力計。

來源：

https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2020/december/nanodiamonds_show_promise_as_single-photon_sources/