Kopplung von Stickstoff-Fehlstellenzentren an photonische Kristallresonatoren in Diamant

Abstract

In this thesis nitrogen-vacancy (NV) centres were coupled to photonic crystal cavities in single-crystal diamond. To this end, the used cavities were first thoroughly characterized in simulations. Subsequently, diamond membranes with a thickness of only a few hundred nanometers were fabricated in two different sample systems and characterized by a methodology that allows the cavities to be fabricated reproducibly therein by FIB-milling. The deployed FIB-milling process was optimized such that fabrication tolerances were minimized and cavity modes with Q-factors up to Q=8250 at modal volumes around one cubic wavelength could be achieved. Furthermore, the directional characteristic of light emission out of the nanostructures was examined in further simulations and a sample system optimized with regard to the collection efficiency was produced. NV-centres were incorporated into the photonic crystal cavities by means of a high resolution implantation technique and subsequently a cavity mode was tuned deterministically into resonance to the zero-phonon line of the incorporated NV-centres. Thus, the spontaneous emission lifetime was reduced from 9.0 ns to 8.0 ns and a spontaneous emission coupling factor of 18.7 % was reached. As an application it was shown that the signal-to-noise ratio of the optical spin readout is almost tripled in resonance to the NV zero-phonon line.

In dieser Arbeit wurden Stickstoff-Fehlstellenzentren (NV-Zentren) an photonische Kristallresonatoren in einkristallinem Diamant gekoppelt. Hierzu wurden die eingesetzten Resonatoren in Simulationen zunächst umfassend charakterisiert. Im Anschluss daran wurden wenige hundert Nanometer dicke Diamantmembranen in zwei Probensystemen hergestellt und durch eine Analysemethodik derart charakterisiert, dass die Resonatoren darin reproduzierbar per FIB-Strukturierung hergestellt werden konnten. Der eingesetzte FIB-Prozess wurde optimiert, sodass Fabrikationsabweichungen minimiert und Gütefaktoren der Resonatormoden von bis zu Q=8250 bei Modenvolumina um eine kubische Wellenlänge erzielt werden konnten. Ferner wurde die Abstrahlcharakteristik von Licht aus den Nanostrukturen in Simulationen umfassend untersucht und auch ein hinsichtlich der Sammeleffizienz optimiertes Probensystem hergestellt. Durch zielgenaue Implantation konnten NV-Zentren in die Resonatorflächen eingebracht und im Anschluss daran die Mode eines Resonators gezielt auf die Nullphononenlinie der inkorporierten NV-Zentren abgestimmt werden. Die Lebensdauer des angeregten Zustands konnte dadurch von 9,0 ns auf 8,0 ns verkürzt und ein Kopplungsfaktor der spontanen Emission von 18,7 % erzielt werden. Als Anwendung konnte gezeigt werden, dass das Signal-Rausch-Verhältnis bei der optischen Auslese des NV-Elektronenspins durch das Abstimmen der Mode nahezu verdreifacht werden kann.