Caratterizzazione delle proprietà ottiche-ottiche dei centri di colore nel diamante

In the last decades the need to realize physical systems able to emit single photons on demand, in an efficient and stable way over time has emerged. The scientific and technological importance linked to a single photon source is based on the possibility that states of a single photon encode information. This would allow the implementation of quantum cryptographic systems in which information is safe from any type of interception or tampering. In the study of the opto-electronic properties of diamond defects, it was discovered that defects within the diamond structure are single photon emitters. These defects are created in the diamond by high energy ion implantation (MeV). The defect so far most commonly used as a single photon source is the nitrogen-vacation center. This thesis focuses on the characterization in single photon emission regime of diamond luminescent centers and was carried out in collaboration with the Quantum Optics Research Group of the National Institute of Metrological Research (INRiM). For the characterization of these centers, an experimental apparatus consisting of a confocal microscope and an interferometer of Hanbury Brown and Twiss was used. In the studied diamond samples, several elements of group IV were implanted. For each sample, a search for single photon emitters was performed, correlated with a power analysis and a spectroscopic type analysis that allowed to uniquely define these emitters. The results obtained from the characterization have allowed to establish the possibility of using new defects within the diamond as single photon emitters.

Negli ultimi decenni è emersa l'esigenza di realizzare sistemi fisici in grado di emettere singoli fotoni su richiesta, in modo efficiente e stabile nel tempo. L'importanza scientifica e tecnologica legata ad una sorgente di singolo fotone si fonda sulla possibilità in cui stati di singolo fotone codifichino l'informazione. Questo consentirebbe la realizzazione di sistemi di crittografia quantistica nei quali l'informazione risulti sicura da ogni tipo di intercettazione o manomissione. Nello studio delle proprietà opto-elettroniche dei difetti nel diamante, si è scoperto che difetti all'interno della struttura del diamante sono emettitori di singolo fotone. Questi difetti vengono creati nel diamante tramite impiantazione ionica ad alta energia (MeV). Negli ultimi decenni è emersa l'esigenza di realizzare sistemi fisici in grado di emettere singoli fotoni su richiesta, in modo efficiente e stabile nel tempo. L'importanza scientifica e tecnologica legata ad una sorgente di singolo fotone si fonda sulla possibilità in cui stati di singolo fotone codifichino l'informazione. Questo consentirebbe la realizzazione di sistemi di crittografia quantistica nei quali l'informazione risulti sicura da ogni tipo di intercettazione o manomissione. Nello studio delle proprietà opto-elettroniche dei difetti nel diamante, si è scoperto che difetti all'interno della struttura del diamante sono emettitori di singolo fotone. Questi difetti vengono creati nel diamante tramite impiantazione ionica ad alta energia (MeV). Il difetto finora più comunemente usato come sorgente di singolo fotone è il centro azoto-vacanza. Questa Tesi è focalizzata sulla caratterizzazione in regime di emissione di singolo fotone di centri luminescenti in diamante ed è stata svolta in collaborazione con il Gruppo di Ricerca di Ottica Quantistica dell'Istituto Nazionale di Ricerca Metrologica (INRiM). Per la caratterizzazione di tali centri è stato utilizzato un apparato sperimentale costituito da un microscopio confocale ed un interferometro di Hanbury Brown e Twiss.