Crescita CVD e caratterizzazione quanto-ottica di centri luminescenti azoto-vacanza nel diamante artificiale

La tesi di Laurea Magistrale è incentrata sulla produzione di emettitori a singolo fotone in diamante artificiale e sulla loro caratterizzazione quanto-ottica. L'attività è stata suddivisa in due parti. In entrambe si sono investigate le proprietà del centro azoto-vacanza carico negativamente (NV-) considerando un differente cristallo ospite: nella prima sezione si è concentrata l'attenzione sui nanodiamanti, nella seconda sul diamante monocristallino. Grazie alle sue proprietà a temperatura ambiente, il centro NV- è, al momento, uno dei centri di colore del diamante più studiati e un candidato promettente per numerose applicazioni. Un esempio è rappresentato dal suo utilizzo nell'ambito delle tecnologie quantistiche avanzate, come ad esempio la crittografia e la computazione quantistica. In virtù delle sue proprietà di spin, infatti, esso può essere considerato un possibile candidato come quantum-bit. Un altro campo di applicazione è quello della metrologia quantistica, dal momento che un'efficiente sorgente ad emissione a singolo fotone deterministica può essere utilizzata per la ri-definizione dell'unità di misura fondamentale candela. La prima parte dell'attività di Tesi si è svolta a Torino, nell'ambito di una collaborazione tra l'Università di Torino e l'INRiM. Il lavoro si è basato sulla produzione di centri NV in nanodiamanti di tipo Ib con dimensioni comprese tra i 50 nm e i 150 nm. La realizzazione dei centri è stata effettuata secondo i seguenti passaggi: 1) l'impiantazione di protoni con energia di 2MeV ha permesso la formazione di vacanze; 2) la ¿cottura¿ del campione ad una temperatura di 800°C per un'ora ha indotto la formazione del complesso NV. Sono stati prodotti campioni con fluenze di impiantazione differenti e sono stati caratterizzati nei laboratorio di Ottica Quantistica dell'INRiM. La caratterizzazione è stata svolta per mezzo di un microscopio confocale sensibile al singolo fotone implementato con un interferometro ¿Hanbury-Brown and Twiss¿ (HBT), utile al fine di realizzare misure della funzione di autocorrelazione al secondo ordine. Tramite differenti implementazioni del medesimo apparato si sono effettuate mappature in luminescenza dei campioni e misure di emissione spettrale. I risultati sperimentali ottenuti da queste misurazioni hanno permesso di ottimizzare il protocollo di produzione per raggiungere migliori proprietà ottiche e quantistiche da singoli centri NV- in nanodiamanti. La seconda sezione della Tesi ha avuto luogo all'Università di Ulm (Germania) nell'ambito di un progetto Erasmus Traineeship. In questo caso i centri NV sono stati creati tramite la tecnica di crescita PECVD su substrati di diamante monocristallino. Si sono prodotti diamanti con diverse qualità cristalline e concentrazioni di impurezze di azoto. La caratterizzazione di tali campioni si è incentrata sullo studio e la manipolazione dello spin dei singoli centri NV- prodotti, con lo scopo di determinarne i loro tempi di coerenza. Si tratta di una misura che permette di definire la qualità cristallina degli strati di diamante cresciuti. L'apparato utilizzato per questo tipo di caratterizzazione è stata l'implementazione di un microscopio confocale sensibile al singolo fotone con apparati che hanno permesso di effettuare misure di risonanza magnetica rilevata otticamente (ODMR), oscillazioni di Rabi, Hahn eco e sequenze XY8. Investigando i tempi di coerenza dei centri NV- è stato possibile ottimizzare il protocollo di produzione.

My Master Degree Thesis in Physics is focused on the production of single photon emitters in artificial diamond and on their quantum-optical characterization. The work is divided in two different parts. In both of them the negatively charged nitrogen-vacancy NV - centre is investigated as a single-photon emitter, while host crystals were different: namely, nanodiamonds were studied in the former section and single crystal diamonds in the latter one. Due to its outstanding properties at room temperature, the NV - centre is one of the most studied diamond colour centres at the moment and a promising candidate for many applications. One example is its use in advanced quantum technologies such as quantum cryptography and computation. Thanks to its spin properties, it can actually be considered as a promising candidate for quantum-bit. Another important field of application is enhanced metrology, by the fact that an efficient deterministic single photon source can be used for the redefinition of the SI base unit candela. The first section of the thesis took part in Torino in a partnership between University of Torino and INRiM. The work was focused on the production of NV centres in Ib type nanodiamonds with dimensions between 50 nm and 150 nm. The realisation of centres was based on the following steps: 1) a 2 MeV proton implantation allowing the creation of vacancies; 2) annealing samples at 800 °C to induce the formation of NV complexes. Sets of centres were produced with different implantation fluences and they were characterized at the Quantum Optics Laboratory of INRiM. The characterization was performed with a single-photon-sensitive confocal microscope integrated with an ¿Hanbury-Brown and Twiss¿ (HBT) Interferometer, which was used to record 2 nd -order autocorrelation function measurements. Luminescence maping of the samples and relevant emission spectra were also measured through different experimental configurations of the same setup. Experimental results obtained from these measurements gave allowed to optimize the processing method to achieve the best optical and quantum properties from single NV - emitters in nanodiamonds. The second part of the thesis took place at Ulm University (Germany) within a scholarship funded by the Erasmus Traineeship program. In this activity, NV centres were produced during a Plasma-Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD) growth process on Ib type single-crystal diamond substrates. Diamonds of different crystal qualities and concentrations of nitrogen impurities were produced. Characterization of these samples was focused on the analysis and manipulation of the spin of single NV-centres grown in order to determine their coherence time. This is a measure for the crystal quality of the produced diamond layers. The setup used for this kind of characterization was a single-photon-sensitive confocal setup which allows to take measurements of Optically Detected Magnetic Resonance (ODMR), Rabi oscillations, Hahn echo and XY8 sequences. By investigating the characteristic coherence times of NV - centres, it was possible to improve the CVD growth protocol in order to obtain, also in this case, NV centres with more promising quantum properties.