Nichtklassische Lichtemission aus Punktdefekten in Multilagen und Monolagen hexagonalen Bornitrids

Abstract

This work reports on the non-classical emission of light from point-like atomic defects in multilayers and monolayers of hexagonal boron nitride that always exhibits a characteristic spectral fingerprint. By measuring photon statistics as well as the defect's excitation and emission polarisation and by performing low temperature spectroscopy, we show strong and consistent evidence that - contrary to findings in literature - we here do not observe pure single photon sources. Instead, this thesis's results lead to the conclusion that there are at least two electronic transitions present per atomic defect. Nevertheless, with typical count rates between 1-5 million photons per second these new defects belong to the brightest sources of non-classical light ever reported. This renders them interesting for applications in quantum information processing which earlier suffered from poor photon rates. Via coupling this emission to fiber based micro cavities with modal volumes on the order of a few cubic wavelengths, that have also been designed in this thesis, we want to further boost the emission out of defects in hexagonal boron nitride. We were able to incorporate multilayer and monolayer material into these micro cavities. We show that multilayer material leads to large scattering losses and that these losses can be overcome by using monolayer material.

Diese Arbeit behandelt die nichtklassische Lichtemission aus Punktdefekten in Multilagen und Monolagen hexagonalen Bornitrids, der stets ein charakteristischer spektraler Fingerabdruck zu Grunde liegt. Durch die Untersuchung der Photonenstatistik des emittierten Lichtes, der Polarisation der Defekte sowie durch Tieftemperaturspektroskopie liefert die Arbeit konsistente Hinweise, dass es sich bei dieser Emission nicht um, wie in der Literatur berichtet, reine Einzelphotonenemission handelt. Dagegen stellt die Arbeit die These auf, dass stets zwei elektronische Übergänge den Defekten zu Grunde liegen. Nichtsdestotrotz gehören diese neuartigen Defekte mit typischerweise 1-5 Millionen Photonen pro Sekunde zu den hellsten, bislang berichteten Quellen nichtklassischen Lichtes, was sie insbesondere für Anwendungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung interessant werden lässt, die bislang durch geringe Photonenzählraten limitiert waren. Durch Kopplung der Emission an in der Arbeit konstruierte faserbasierte Mikroresonatoren mit Modenvolumina im Bereich weniger kubischer Wellenlängen war es das Ziel, diese Emission aus hBN zu überhöhen. Kopplungseffekte an solche Mikroresonatoren werden für Multilagen und Monolagen hBN untersucht. Es wird gezeigt, dass Multilagen Material im Resonator zu sehr hohen Streuverlusten führt und dass diese Verluste durch die Verwendung von Monolagen Material umgangen werden können.