Caratterizzazione di emettitori di singolo fotone basati su centri di colore in nanodiamanti

Negli ultimi decenni è emersa l'esigenza, sia scientifica che tecnologica, di realizzare sistemi fisici in grado di emettere un singolo fotone per volta, su richiesta, in modo efficiente e stabile nel tempo. A partire dagli anni '70 si è cercato di sviluppare dispositivi in grado di soddisfare queste caratteristiche, con risultati ancora non del tutto soddisfacenti anche ai giorni nostri. L'importanza di ottenere una sorgente di singolo fotone si fonda sulla prospettiva di implementare schemi di computazione quantistica in cui stati di singolo fotone codifichino l'informazione. Questo consentirebbe l'implementazione di algoritmi non naturalmente accessibili con computer ¿classici¿, superando quindi le capacità computazionali attuali. Inoltre, questo tipo di dispositivi offrirebbe la possibilità di realizzare anche sistemi di ¿crittografia quantistica¿, nei quali i messaggi sono crittografati negli stati di singoli fotoni secondo una metodologia che li rende intrinsecamente sicuri da ogni tipo di intercettazione o manomissione. Nello studio delle proprietà opto-elettroniche dei difetti nei diamanti, si è scoperto che il complesso azoto-vacanza, presente nello stato di carica neutrale (N V 0) o negativo (N V -) , è un buon emettitore di singolo fotone. Il difetto è composto da un atomo di azoto sostituzionale situato in una posizione immediatamente contigua ad una vacanza nel reticolo cristallino del diamante. Esso è in grado di emettere fotoni in conseguenza di una stimolazione ottica od elettrica, in maniera efficiente e stabile nel tempo. In particolare, lo stato di carica negativo (N V -) è quello più studiato perché è caratterizzato da proprietà di spin elettronico molto utili nella computazione quantistica e nella magnetometria. Questi difetti vengono creati nel diamante monocristallino o nanocristallino mediante differenti metodi, tra cui l'irraggiamento ad opera di protoni ad alta energia (MeV). La possibilità di produrre nanodiamanti (ossia diamanti con diametro minore di 500 nm) con singoli emettitori offre inoltre ulteriori possibilità tecnologiche: sarebbe infatti possibile utilizzarli come marcatori luminescenti o sensori magnetometrici, con grandi potenzialità in biofisica e medicina. Questa Tesi è focalizzata sulla caratterizzazione in regime di emissione di singolo fotone di centri N V - in nanodiamanti ed è stata svolta presso i laboratori di ottica quantistica dell'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM). In una prima fase si sono allestiti e allineati un microscopio confocale ed un interferometro. Questo ha permesso la caratterizzazione di singoli emettitori in campioni di nanodiamanti (sia pristini che processati con irraggiamento e successivo trattamento termico). Queste misure sono state complementate da un'analisi spettroscopica che ha consentito un'attribuzione inequivoca di questi emettitori. I risultati di questa caratterizzazione hanno consentito di elucidare l'importanza del processo di irraggiamento per la creazione controllata di questi centri.