筑波大ら,同一光子を放出する単一光子源を固体中に多数作製

筑波大学,物質・材料研究機構は,ダイヤモンド中のカラーセンターの一つであるSiV-センターを高純度・高結晶性ダイヤモンド薄膜成長時に,極微量の濃度に制御して導入し,単一光子源として作製することに世界で初めて成功した(ニュースリリース)。

励起・放出を繰り返して1秒間に百万個以上の光子を放出できるだけの明るさをもち,しかも安定という単一光子源はきわめて限られる。たとえば,有機分子を用いた単一光子源は安定性の,半導体結晶中の人工原子と言える量子ドットの単一光子源にはブリンキングの問題があるが,ダイヤモンド中のカラーセンターは,光安定性において優れた単一光子源として期待されている。

量子情報処理では,離れた場所の固体量子ビット(情報の最小単位)間でエンタングルメントを生成する上で,単一光子源が一つの候補。この場合に,離れた単一光子源から放出される光子が,識別できない光子であることが必要になる。

しかし固体の単一光子源においては,周りの環境が少しずつ異なるため,離れた位置の単一光子源のどちらからやってきたかを識別できない光子を発生させるのは至難だった。更に,応用上の観点からは,明るく,光安定性に優れているだけでなく,単一光子源の発光波長を長波長化する事が求められていた。

研究では,プラズマによるシリコンのエッチングが極力起こらない成長装置と成長条件を構築し,CVDダイヤモンド単結晶の高純度化・高結晶性化に取り組んだ。その上でシリコン源として,プラズマによるエッチング速度が遅い炭化ケイ素をダイヤモンド基板とともに反応容器内の試料ホルダー上に置いて CVD合成した。

この手法により,CVDダイヤモンド単結晶成長中にSiV-センターを単一光子源の濃度で導入することに成功した。この手法では,0.001ppb∼0.01ppbという極微量の濃度を制御することが可能。

共焦点顕微鏡イメージから,CVDダイヤモンド単結晶薄膜中に,多数のSiV-センターが観測された。光子相関測定のアンチバンチング(2個の光子を同時に発生しない)現象を観測することにより,単一光子源作製が確かめられた。

また,NV-センターと比べて長波長の発光であり,且つ発光の線幅が狭いという点で期待されていたSiV-センターが,単一光子源としてNV-センターと同程度に明るいことが確かめられたという。

固体結晶中では,多くの場合,周囲の環境が微妙に異なることにより,個々の単一光子源ごとに発光周波数 (発光波長)が変化する。この発光波長の「不均一なひろがり」が,固体結晶中に識別できない光子を放出する単一光子源を作製する際の難題となっていた。

研究では,高純度・高結晶性という点でほぼ完璧なダイヤモンド結晶格子中に作りこめたことから,SiV-センター固有の発光周波数,線幅をもつ,即ち識別することが困難な光子を発生する単一光子源を多数作製することに成功した。

これらの結果は,量子干渉を用いる量子光学,量子コンピューティング,量子情報ネットワークといった応用へ,固体中の単一光子源を用いるための重要な一歩として期待されるとしている。

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