Interactions between a colour centre, optical and mechanical resonator modes in a diamond structure

Abstract

This work shows a route towards the implementation of diamond-based platforms as highly integrated system for quantum information processing. To this end, a structure where three degrees of freedom mutually couple at the single particle level is investigated based on numerical modelling. A practical implementation is tested and challenges towards an experimental demonstration are identified. The structure considered in this work is a photonic and phononic crystal that confines an optical and a mechanical resonator mode and that hosts a colour centre. Besides the well-explored Purcell coupling, optomechanical interaction and strain coupling to both the ground and excited state levels of a single nitrogen vacancy colour centre determine the dynamics in this structure. In addition, a hybrid interaction involving all three degrees of freedom is explored to demonstrate the unique possibilities in this highly integrated system. With regard to an experimental implementation, established fabrication techniques are improved and a novel dry etching technique is developed with the aim to achieve a better mode confinement. The practical feasibility of measurements in vacuum, required for detecting the mechanical oscillation via optomechanical or strain coupling, is assessed. Unexpected features in the optical mode spectrum are detected and systematically investigated so that a future experimental demonstration is within reach.

In dieser Arbeit wird eine Diamantplattform als hochintegriertes System im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung vorgestellt. Dazu wird eine Struktur simuliert, in der drei Freiheitsgrade auf der Ebene einzelner Quanten in Wechselwirkung treten. Eine praktische Umsetzung wird getestet wobei Hindernisse auf dem Weg zu einer experimentellen Demonstration identifiziert werden. In dieser Arbeit wird ein photonischer und phononischer Kristall untersucht, der eine optische und eine mechanische Resonatormode lokalisiert und in dessen Mitte ein Farbzentrum eingebracht ist. Neben der bekannten Purcell-Kopplung bestimmen optomechanische Kopplung und die Wechselwirkung zwischen mechanischer Schwingung und den Grund- und angeregten Zuständen eines einzelnen Stickstoff-Fehlstellen-Zentrums die Dynamik des Systems. Darüber hinaus wird eine gleichzeitige Wechselwirkung aller drei Freiheitsgrade untersucht um die einzigartigen Möglichkeiten dieses hochintegrierten Systems aufzuzeigen. Im Hinblick auf eine experimentelle Umsetzung werden bekannte Herstellungstechniken verbessert und ein neues Trockenätzverfahren entwickelt um eine bessere Lokalisation der Moden zu erzielen. Messungen im Vakuum, die für den indirekten Nachweis der mechanischen Schwingung über optomechanische Kopplung nötig sind, werden getestet. Dabei wird ein unerwartetes Verhalten der optischen Eigenschaften beobachtet und systematisch untersucht sodass eine experimentelle Umsetzung in greifbare Nähe rückt.