Pulsed coherent spectroscopy of a quantum emitter in hexagonal Boron Nitride

Titolo: Spettroscopia coerente a impulsi di un emettitore quantistico in Nitruro di Boro Esagonale (hBN)

1. Il Problema e il Contesto

Le tecnologie quantistiche (comunicazione, calcolo e metrologia) richiedono emettitori di singoli fotoni deterministici e scalabili. Sebbene siano stati esplorati diversi materiali (punti quantici, molecole singole, centri di colore), la maggior parte di questi sistemi presenta sfide significative: inhomogeneità spettrale tra emettitori, difficoltà nel controllo deterministico della creazione dei difetti e limitazioni nell'integrazione nei circuiti fotonici.
Il Nitruro di Boro Esagonale (hBN) è emerso come una piattaforma promettente grazie alla sua struttura stratificata e alla capacità di ospitare emettitori quantistici stabili. In particolare, il centro B (un difetto interstiziale diviso dal carbonio) con una linea a fonone zero (ZPL) a 436 nm è di grande interesse per la sua larghezza di linea ottica riproducibile e la possibilità di essere creato tramite irradiazione a fascio di elettroni. Tuttavia, la dimostrazione del controllo coerente ottico completo (inclusa la manipolazione degli stati di sovrapposizione) su un singolo centro B in regime di eccitazione risonante a impulsi era ancora da consolidare.

2. Metodologia

Gli autori hanno caratterizzato un singolo centro B in un cristallo di hBN di alta purezza (cresciuto con il metodo HPHT) esfoliato su un substrato di SiO2/Si.

• Creazione e Identificazione: I centri B sono stati generati tramite irradiazione a fascio di elettroni.
• Setup Sperimentale: È stato utilizzato un laser a impulsi risonanti (436 nm), derivato da un laser a Ti:Zaffaro a femtosecondi (80 MHz), la cui larghezza di banda è stata ridotta a ~300 GHz (0,19 nm) tramite un sistema di modellazione degli impulsi in configurazione 4f.
• Rilevamento: A causa della difficoltà di isolare la ZPL risonante dal rumore di scattering del laser, l'emissione è stata rilevata attraverso la banda laterale fononica (PSB), che viene filtrata spettralmente.
• Tecniche di Controllo:
  • Oscillazioni di Rabi: Variazione della potenza dell'impulso risonante per osservare la rotazione del vettore di Bloch tra lo stato fondamentale $|g\rangle$ e quello eccitato $|e\rangle$.
  • Interferometria di Ramsey: Utilizzo di una sequenza a due impulsi ($\pi/2 - \tau - \pi/2$) tramite un interferometro di Michelson a spazio libero per sondare l'evoluzione di fase dello stato di sovrapposizione e misurare il tempo di coerenza.

3. Contributi Chiave e Risultati

• Caratterizzazione Spettrale e Temporale:

  • È stata misurata una vita radiativa ($T_1$) di 1,95 ns, corrispondente a una larghezza di linea omogenea Fourier-limitata di circa 82 MHz.
  • La spettroscopia PLE (Photoluminescence Excitation) ha rivelato una larghezza di linea inhomogenea di circa 970 MHz, indicando una moderata diffusione spettrale (spectral diffusion), tipica dei difetti nell'hBN, ma sufficientemente piccola da permettere il controllo coerente.

• Controllo Coerente di Popolazione (Oscillazioni di Rabi):

  • Gli autori hanno osservato oscillazioni di Rabi fino a $5\pi$ variando la potenza dell'impulso.
  • L'impulso $\pi$ (inversione completa della popolazione) è stato raggiunto a una potenza di 11,63 µW.
  • Questo conferma la natura a due livelli della transizione ottica del centro B.

• Purezza del Fotone Singolo:

  • Sotto eccitazione con impulso $\pi$, è stata misurata una purezza del fotone singolo eccezionale: $g^{(2)}(0) = 0,07$ (corrispondente a una purezza del 93% senza correzione per il fondo), confermando l'emissione deterministica di singoli fotoni.

• Coerenza Quantistica (Interferometria di Ramsey):

  • Attraverso l'interferometria di Ramsey, è stato misurato il tempo di coerenza inhomogeneo ($T_2^*$).
  • Il risultato ottenuto è $T_2^* = 0,60$ ns.
  • Questo valore è molto vicino al limite superiore dettato dalla vita media ($2T_1 = 3,90$ ns), indicando che la coerenza è intrinsecamente forte e solo moderatamente perturbata dal rumore ambientale (diffusione spettrale), senza l'uso di schemi di stabilizzazione attiva (elettrica o laser) solitamente necessari in altre piattaforme.

4. Significato e Implicazioni

Questo lavoro rappresenta un passo fondamentale verso l'integrazione dei centri B in hBN nelle piattaforme fotoniche quantistiche:

1. Validazione della Piattaforma: Dimostra che i centri B nell'hBN sono emettitori quantistici coerenti e "triggerabili" (attivabili su richiesta), capaci di subire rotazioni controllate sulla sfera di Bloch a temperature criogeniche.
2. Robustezza: La coerenza misurata è ottenuta senza stabilizzazione attiva, suggerendo che il centro B è intrinsecamente robusto rispetto all'ambiente locale rispetto ad altri sistemi a stato solido.
3. Scalabilità e Integrazione: La compatibilità dell'hBN con le nanostrutture foniche (come guide d'onda e cavità a reticolo di Bragg) offre una via diretta per migliorare l'estrazione dei fotoni e ridurre l'impatto della diffusione spettrale tramite l'effetto Purcell.
4. Prospettive Future: I risultati aprono la strada all'uso dei centri B in esperimenti di ottica quantistica avanzata su materiali bidimensionali, inclusi l'interferometria a due fotoni e il calcolo quantistico fotonico scalabile.

In sintesi, lo studio stabilisce il centro B nell'hBN come un candidato promettente e maturo per la realizzazione di sorgenti di fotoni singoli coerenti e deterministici per le tecnologie quantistiche del futuro.