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May 28, 2023

Miglioramento della fluorescenza dei singoli centri di colore spin del carburo di silicio

June 9, 2023 This article

9 giugno 2023

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dall’Università della Scienza e della Tecnologia della Cina

In uno studio pubblicato online su Nano Letters, il team guidato dal Prof. Li Chuanfeng e dal Dr. Xu Jinshi dell’Università di Scienza e Tecnologia della Cina dell’Accademia cinese delle Scienze ha fatto progressi nel migliorare la fluorescenza dei singoli difetti di spin del carburo di silicio.

I ricercatori hanno sfruttato i plasmoni di superficie per aumentare notevolmente la luminosità della fluorescenza dei centri di colore PL6 a doppia vacanza in carburo di silicio singolo, portando a un miglioramento dell’efficienza del controllo dello spin utilizzando le proprietà delle guide d’onda complanari. Questo metodo a basso costo non richiede una complessa tecnologia di elaborazione micro-nano e non compromette le proprietà di coerenza dei centri di colore.

I centri di colore di spin nei sistemi a stato solido sono cruciali per l’elaborazione delle informazioni quantistiche e la luminosità della loro fluorescenza è un parametro vitale per le applicazioni quantistiche pratiche.

Tradizionalmente, migliorare la fluorescenza dei centri di colore di spin implica accoppiarli con micro-nanostrutture allo stato solido, un metodo comune che comprende vari schemi come la fabbricazione di lenti a immersione solide, nanopilastri, strutture a occhio di bue, microcavità di cristalli fotonici e cavità di fibre. Tuttavia, permangono sfide come la suscettibilità delle proprietà di spin del centro colore a complessi processi di fabbricazione micro-nano e la difficoltà di allineare specifici centri colore con strutture micro-nano.

Pioniere di un nuovo approccio, il team ha utilizzato i plasmoni per migliorare la fluorescenza dei centri di spin nel carburo di silicio. I ricercatori hanno preparato una pellicola sottile di carburo di silicio di circa 10 micrometri di spessore mediante lucidatura chimica e meccanica. Hanno utilizzato la tecnologia dell'impianto ionico per creare centri di colore vacanti vicino alla superficie nel film.

Il film è stato capovolto e fatto aderire a un wafer di silicio rivestito con una guida d'onda d'oro complanare, utilizzando le forze di van der Waals. Questo posizionamento ha permesso ai centri di colore vicini alla superficie di cadere sotto l'influenza dei plasmoni di superficie della guida d'onda d'oro, migliorando così la fluorescenza dei centri di colore.

Con una lente obiettiva (con un'apertura numerica di 0,85) e l'effetto di potenziamento dei plasmoni di superficie, i ricercatori hanno ottenuto un miglioramento di sette volte della luminosità di un singolo centro di colore PL6. Con una lente oleosa con apertura numerica di 1,3, la fluorescenza del centro colore ha superato un milione di conteggi al secondo.

Inoltre, i ricercatori sono riusciti a manipolare con precisione la distanza tra il centro del colore vicino alla superficie e la guida d’onda complanare regolando lo spessore del film con un processo di attacco con ioni reattivi, che ha permesso loro di studiare il range di funzionamento ottimale. Oltre a generare plasmoni di superficie, la guida d’onda complanare in oro può essere utilizzata per irradiare in modo efficiente le microonde, migliorando significativamente l’efficienza del controllo dello spin.

La guida d'onda complanare ha aumentato la frequenza Rabi di un singolo centro di colore PL6 di 14 volte con la stessa potenza delle microonde rispetto a quella dei metodi convenzionali di radiazione a microonde.

Inoltre, i ricercatori hanno studiato il meccanismo di potenziamento della fluorescenza. Adattando la funzione di autocorrelazione utilizzando un modello a tre livelli e misurando la durata della fluorescenza di eccitazione non risonante, hanno confermato che i plasmoni di superficie miglioravano la luminosità della fluorescenza aumentando la velocità di transizione radiativa del livello di energia del centro del colore.