Kopplung einzelner Zinn-Fehlstellenzentren in Diamant an eine optische Antenne

Abstract

In dieser Arbeit wird die Ankopplung des Zinn-Fehlstellenzentums (SnV-Zentrum), das in einigen Pionierstudien als vielversprechender Kandidat zur Verwendung in der Quantentechnologie identifiziert wurde, an nanophotonische Strukturen demonstriert. Dazu wird ein Verfahren zur Herstellung dünner Diamantmembranen mit inkorporierten einzelnen SnV-Zentren entwickelt, was den Grundstein zur Herstellung komplexerer nanophotonischer Strukturen legt. Die erfolgreiche Erzeugung der SnV-Zentren wird mittels Fluoreszenzspektroskopie nachgewiesen. Das Verfahren führt jedoch zu einer starken Hintergrundfluoreszenz, welche die vorteilhaften Eigenschaften des SnV-Zentrums kompromittiert. Daher wird ein Oxidationsprozess implementiert, der die Hintergrundfluoreszenz erfolgreich minimiert, infolgedessen sich jedoch auch die Photophysik der SnV-Zentren signifikant verändert. Eine detaillierte Untersuchung der Ursache dieses Verhaltens führt zu einem tieferen Verständnis der Ladungsstabilität des SnV-Zentrums. Auf Grundlage dieser Vorarbeiten wird die Ankopplung an eine optische Antenne auf Basis eines Fabry-Pérot-Resonators demonstriert, wodurch die detektierbare Einzelphotonenrate signifikant gesteigert werden kann. Diese Arbeit beinhaltet damit ein vollständiges Verfahren zur Erzeugung von SnV-Zentren in dünnen Diamantmembranen und deren Ankopplung an eine optische Antenne, was einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Etablierung des SnV-Zentrums in der Quantentechnologie darstellt.

In this work, the coupling of the tin vacancy center (SnV center), identified in some pioneering studies as a promising candidate for use in quantum technology, to nanophotonic structures is demonstrated. To this end, a process for fabricating thin diamond membranes with incorporated single SnV centers is developed, which paves the way for the fabrication of more sophisticated nanophotonic structures. The successful generation of SnV centers is demonstrated by fluorescence spectroscopy. However, the process also introduces a strong background fluorescence, which compromises the advantageous properties of the SnV center. Therefore, an oxidation process is implemented that successfully minimizes the background fluorescence, but changes also the photophysics of the SnV centers significantly. A detailed investigation of this behavior leads to a deeper understanding of the charge stability of the SnV center. Based on this preliminary work, the coupling to an optical antenna based on a Fabry-Pérot resonator is demonstrated, which can significantly increase the detectable single photon rate. This work thus features a complete method for the generation of single SnV centers in thin diamond membranes and their coupling to an optical antenna, which represents an important step towards the establishment of the SnV center in quantum technology.