Diamant-Nanofabrikation

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

Im Joint Lab Diamond Nanophotonics bauen wir 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 verbinden wir Diamant-Nanostrukturen und photonische Schaltkreise mit neuen Methoden miteinander. 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.

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, sodass fast 50 % des emittierten Lichts in die Sammellinse geleitet werden.

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) verwendet werden, um Spin-Photonen-Verflechtungen (gestrichelte Schleife) zu erzeugen.

Referenz

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. 18, 2787-2793 (2018).