Joint Lab Diamond Nanophotonics

Das Joint Lab Diamond Nanophotonics (DNP) forscht an neuartigen Konzepten, mit denen Licht auf der Nano- und Mikroskala geleitet, gefangen und manipuliert werden kann. Damit soll eine kontrollierbare Licht-Materie-Wechselwirkung erreicht werden, um Quantenspeicher in Diamant effizient an einzelne Lichtteilchen (Photonen) zu koppeln. Diese Photonen sollen dann wiederum effizient in Lichtleitfasern eingekoppelt werden. Dazu untersucht und fabriziert das Lab nanophotonische Strukturen in Diamant und verbindet diese mit anderen lichtleitenden Materialien die bereits heute zuverlässig hergestellt und bearbeitet werden können. Langfristig sollen kompakte On-Chip-Module für Quantenkommunikation und -computing entwickelt werden. Solche photonischen Module sind ein entscheidender Schritt in Richtung Quanteninformationsverarbeitung, die auf optisch aktiven Festkörpermaterialien basiert. Die Grundlage für derartige Informationsverarbeitung bilden Quantennetzwerke aus Defektzentren, die mit hohen Raten skalierbar verschränkt werden. Im ersten Schritt arbeitet das Lab daran, Verschränkungsoperationen von Diamant-Defektzentren in integrierten nanophotonischen Strukturen zu demonstrieren.

  • Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer photonischen Diamantkristall-Nanokavität mit integriertem Spin-Defektzentrum.
    [+] Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer photonischen Diamantkristall-Nanokavität mit integriertem Spin-Defektzentrum. Spin-Level (grüne Pfeile: "Spin-up" & "Spin-down") sind mit optischen Übergängen (rot gestrichelte Linien) verbunden. Sie können als Quantenspeicher und gekoppelt an einzelne Photonen (wellenartiger Pfeil), zur Erzeugung von Spin-Photonen-Verflechtungen (gestrichelte Schleife) verwendet werden.
  • Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Diamantmikrostruktur.
    [+] Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme einer Diamantmikrostruktur. Die Diamant-Luft-Schnittstelle hat die Form eines Paraboliden (3D). Das Spin-Defekt-Zentrum (im Fokuspunkt des Parabolids) ist über optische Übergänge (rote gestrichelte Linien) mit einzelnen Photonen (rote wellenartige Pfeile) gekoppelt. Photonen werden in das Fernfeld abgegeben, so dass fast 50 % des emittierten Lichts in die Sammellinse geleitet werden können.

Verglichen mit anderen Halbleitertechnologien ist die Nanostrukturierung von Diamant weltweit technologisch bislang wenig erforscht. Um Diamant-basierte Technologien anwendungsrelevant nutzen zu können, muss daher umfassendes Know-how in der Prozesstechnologie aufgebaut werden und mit Expertise in der Quantenoptik mit Festkörpernanosystemen kombiniert werden.

Das Joint Lab Diamond Nanophotonics baut auf existierenden Arbeiten mit Defektzentren in Diamant und den einzigartigen Fertigungsprozessen des Ferdinand-Braun-Instituts auf. Dadurch soll ein bislang unerreichtes Level an Strukturierungsqualität, Reproduzierbarkeit, und Skalierbarkeit möglich werden. Im Speziellen werden Diamant-Nanostrukturen und photonische Schaltkreise mit neuen Methoden miteinander verbunden. Eine solche Plattform kann dann als "Toolbox" generell für die photonische Integration etablierter und neuer Defektzentren in Diamant verwendet werden.

Diese weiterentwickelte Plattform wird verschiedene Anwendungen ermöglichen: sehr helle Quantenlichtquellen, die für kommerzielle Anwendungen in ein kompaktes Gehäuse integriert werden ebenso wie höchsteffiziente Spin-Photonen-Schnittstellen, die zur Demonstration von Verschränkungsoperationen benutzt werden.

Publikation

Noel H. Wan, Brendan J. Shields, Donggyu Kim, Sara Mouradian, Benjamin Lienhard, Michael Walsh, Hassaram Bakhru, Tim Schröder, Dirk Englund, “Efficient Extraction of Light from a Nitrogen-Vacancy Center in a Diamond Parabolic Reflector” Nano Lett. 2018 1852787-2793, (2018)