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Wang, Chunlang (2007): A Solid-State Single Photon Source Based on Color Centers in Diamond. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Eine zuverlässige, effiziente und kostengünstige Einzelphotonenquelle ist eine wichtige Komponente in vielen Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung und Quantenkommunikation. Einzelphotonenquellen wurden schon in Experimente der Quantenkryptographie eingesetzt und haben Vorteile gegenüber abgeschwächten Laserpulsen gezeigt. Eine Einzelphotonenquelle ist auch eine der notwendigen Voraussetzungen für einen optischen Quantencomputer nach Vorschlag von Knill, Laflamme und Milburn. Darüber hinaus sind einzelne Photonen der ideale Kandidat um das Grundprinzip der Quantenmechanik zu demonstrieren. Deshalb ist eine Einzelphotonenquelle auch wünschenswert für bildungszweck. Das in dieser Arbeit untersuchte Konzept für eine Einzelphotonenquelle basiert auf den Farbzentren im Diamant. Farbzentren sind eine attraktive Wahl für die praktischen Anwendungen wegen des relativ geringen experimentellen Aufwands. In dieser Arbeit wurde das SiV (silicon vacancy) Zentrum ausführlich untersucht, weil es mehrere vorteilhafte Eigenschaften hat, z.B. das schmales Spektrum und die kurze Lumineszenzlebensdauer. Die SiV-Zentren wurden durch Silizium-Ionenimplantation im IIa-Diamant erzeugt. Einzelne SiV-Zentren wurden durch ein konfokales Mikroskop optisch adressiert. Die Emission einzelner Photonen wurde durch die Messung der Intensitätskorrelationsfunktion nachgewiesen. Allerdings zeigt ein einzelnes SiV-Zentrum eine weiter niedrigere Photonenemissionsrate als erwartet. Es liegt auf einer Seite an einer schlechten Quantenausbeute wegen nicht-strahlender Übergänge. Andererseits existiert ein zusätzliches metastabiles Niveau im Energieschema des SiV-Zentrums. Das metastabile Niveau wurde als der positive Ladungszustand identifiziert. Durch Manipulation des Fermi-Niveaus im Diamant mit Stickstoff-Ionenimplantation kann die Population des positiven Ladungszustands eliminiert werden. Außer dem SiV-Zentrum wurden mehrere unbekannte einzelne Farbzentren gefunden und charakterisiert. Eine andere wichtige Angelegenheit ist das effiziente Aufsammeln der Fluoreszenz einzelner Quantenemitter. In dieser Arbeit wurden zwei Methoden untersucht. Mit einer direkt auf Probe gesetzten Diamant Halbkugellinse wurde eine Erhöhung von der Aufsammeleffizienz um einen Faktor 5 erreicht. Wenn die Größe der Kristalle deutlich kleiner als die Wellenlänge der Fluoreszenz, tritt keine Brechung auf dem Übergang zwischen Diamant und Luft auf. Deswegen wurden einzelne SiV-Zentren in Diamantnanokristallen auch untersucht. Dabei wurde stärkere Fluoreszenzintensität observiert.