Silicon vacancy color centers in chemical vapor deposition diamond : new insights into promising solid state single photon sources

Abstract

This work extensively investigates single silicon vacancy (SiV) color centers in diamond which are promising candidates for solid state single photon sources. The SiV centers are hosted by synthetic chemical vapor deposition diamonds in which they are created during the growth due to the incorporation of silicon impurities. The SiV centers display outstanding spectral properties including bright zero-phonon-lines (ZPLs, wavelengths mostly between 736 nm and 746 nm) with linewidths as narrow as 0.7 nm together with a distinct concentration of the fluorescence (approx. 70%) in the ZPL. With single photon count rates up to 6.2 Mcps under continuous excitation, SiV centers are the brightest single color centers at present. Intensity auto-correlation measurements reveal three level population dynamics including a shelving state from which the SiV center can be reactivated by the excitation laser. Besides the ZPL, we identify previously unobserved electronic transitions in the spectral range between 820 nm and 840 nm. Using polarization spectroscopy, we investigate for the first time the transition dipole(s) for a single SiV center and find a single <110>-oriented dipole enabling fully linearly polarized single photon emission. Spectroscopy at cryogenic temperature for the first time reveals the ZPL fine structure of a single SiV center as well as mostly temperature independent population dynamics.

In dieser Arbeit werden einzelne Silizium-Fehlstellen (SiV) Farbzentren in Diamant untersucht. Diese sind vielversprechende Kandidaten für festkörperbasierte Einzelphotonenquellen. Die SiV Zentren entstehen während des Wachstums in synthetischen, durch Gasphasenabscheidung hergestellten Diamanten aus Silizium-Verunreinigungen. SiV Zentren zeigen herausragende spektrale Eigenschaften darunter eine intensive Null-Phononen (NP) Linie (Wellenlänge meist zwischen 736 nm und 746 nm) mit einer Breite von minimal nur 0.7 nm zusammen mit einer ausgeprägten Konzentration der Fluoreszenz (ca. 70%) in der NP Linie. SiV Zentren sind mit Einzelphotonenraten bis zu 6.2 Mcps bei kontinuierlicher Anregung die hellsten einzelnen Farbzentren zum jetzigen Zeitpunkt. Intensitäts-Autokorrelationsmessungen zeigen eine Drei-Niveau Besetzungsdynamik mit einem Shelving Zustand, aus dem das SiV Zentrum durch den Anregungslaser reaktiviert werden kann. Neben der NP Linie werden erstmals elektronische Übergänge zwischen 820 nm und 840 nm identifiziert. Mit Hilfe von Polarisationsspektroskopie wird die Dipolausrichtung einzelner SiV Zentren untersucht und ein einzelner Dipol in <110> Kristallrichtung identifiziert. Tieftemperaturspektroskopie liefert erstmals die Feinstruktur der NP Linie eines einzelnen SiV Zentrums und zeigt eine weitgehend temperaturunabhängige Besetzungsdynamik.