controllo elettrico di difetti luminescenti in diamante artificiale per applicazioni nelle tecnologie quantistiche​

The topic of my Thesis work is the study of luminescent defects in artificial diamond, in particular focusing on how they can be electrically controlled. These defects are impurities in the diamond crystalline matrix, and its can be: - naturally present; - artificially inserted in a controlled way during the growth of the sample itself, if it is grown using the "chemical vapor deposition" technique or subsequently, by ion implantation. These impurities create energy levels within the diamond forbidden band, of which the electronic state, if appropriately stimulated (for example by laser source), can relax in the fundamental state by emitting a characteristic radiation. This emission is the reason why the defects are called "luminescent" and, in particular, if the emitted radiation belongs to the visible range (from 390 to 700nm), they are called "color centers. The importance of these defects lies in the fact that they are a quantum system capable of emitting a single photon at a time, with an emission rate that depends on the defect (of the order of GHz). This has generated great interest by scientific community, which, in the past few decades, has invested heavily in the possibility of creating an emitter of this type. A single photon source ("SSF") would potentially be used in various fields, ranging from quantum computing, quantum cryptography and the metrological field, where it would allow the redefinition of the fundamental "candle" unit of measure. Among the various luminescent defects that have been discovered, the most famous is the "nitrogen-vacancy complex (NV)". As the name suggests, this defect is constituted by a substitute nitrogen atom, placed in a reticular site adjacent to a vacancy-type defect, reaching a more linked form. Although the NV center is an SSF, its emission properties are not ideal since the emission spectrum extends from 600 to 800 nm ("zero-phonon emission line" at 638 nm). The interest in this complex depends on the fact that it is characterized by optical transition which are strongly spin-dependent, and thus highly sensitive to the application of external electromagnetic fields. One of the arguments I developed during these months concerns the study of NV defects as a function of the electric field applied by sub-surface graphitic electrodes, in view of using this device as a highly sensitive nanometric detector of electromagnetic fields. By applying an electrostatic field to the system, two phenomena occur: the Stark-shift of the energy levels and the local temperature increase, due to the passage of current that occurs thanks to the behavior of the defects, such as trap levels. The technique employed to investigate the effects of the electrostatic fields on the optical transitions in this system is the ¿ODMR¿ (= Optically Detected Magnetic Resonance) and consists of the following steps: - application on the sample under examination of a variable-frequency microwave field; -application of the electrostatic field by means of graphitic electrodes; -use of the optical confocal microscope to monitor the variation of the photo-luminescence intensity. When the microwave frequency matches specific resonance values, the electronic state changes its spin state and thus a contrast in luminescence is observed. Consequently it is possible to investigate the spin resonance frequencies of the defect and therefore the effects of the external electric field on its level structure.​

L'argomento del mio lavoro di Tesi riguarda lo studio dei difetti luminescenti nel diamante artificiale, in particolare focalizzandomi su come essi possano essere controllati elettricamente. Questi difetti non sono altro che impurità della matrice cristallina del diamante, e possono essere: - naturalmente presenti; - inseriti artificialmente in modo controllato durante la crescita stessa del campione, se è cresciuto mediante la tecnica ¿chemical vapor deposition¿ o successivamente, per impiantazione ionica. Queste impurità creano dei livelli energetici all'interno della banda proibita del diamante, di cui lo stato elettronico, se opportunamente stimolato (ad esempio mediante sorgente laser), può rilassare allo stato fondamentale emettendo una radiazione caratteristica. Questa emissione è il motivo per cui i difetti vengono detti ¿luminescenti¿ e, in particolare, se la radiazione emessa appartiene all'intervallo del visibile (dai 390 ai 700nm), vengono detti ¿centri di colore. L'importanza di questi difetti sta nel fatto che formano un sistema quantistico in grado di emettere un singolo fotone alla volta, con un rateo di emissione che dipende dal difetto in esame (dell'ordine dei GHz). Ciò ha generato un grande interesse da parte della comunità scientifica, che, negli ultimi decenni, ha molto investito sulla possibilità di creare un emettitore di questo tipo. Una sorgente di singolo fotone (¿SSF¿) sarebbe potenzialmente impiegata in vari ambiti, che spaziano dalla computazione quantistica, alla crittografia quantistica e al campo metrologico, dove permetterebbe la ridefinizione dell'unità di misura fondamentale ¿candela¿. Fra i vari difetti luminescenti che sono stati scoperti, quello più famoso è il ¿complesso azoto-vacanza (NV)¿. Come suggerisce il nome, questo difetto è costituito da un atomo sostituzionale di azoto, disposto in un sito reticolare adiacente ad un difetto di tipo vacanza, raggiungendo una forma più legata. Sebbene il centro NV sia una SSF, le sue proprietà di emissione non sono ideali poiché lo spettro caratteristico si estende da 600 a 800 nm ( ¿zero-phonon line¿ a 638 nm). L'interesse in questo complesso risiede nel fatto che è caratterizzato da transizioni ottiche fortemente dipendenti dallo spin dello stato elettronico, che è sensibile all'applicazione di campi elettromagnetici esterni. Uno degli argomenti che ho sviluppato durante questi mesi, riguarda lo studio dei difetti NV in funzione del campo elettrico applicato mediante elettrodi grafitici sub-superficiali, in vista di un impiego di questo dispositivo come un sensibilissimo rivelatore nanometrico di campi elettromagnetici. Applicando un campo elettrico esterno avvengono due fenomeni: l'effetto di Stark-shift dei livelli energetici e l'aumento di temperatura locale, dovuto al passaggio di corrente che avviene grazie al comportamento dei difetti, come livelli di trappola. La tecnica che ho usato per investigare l'effetto del campo elettrostatico sulle transizioni ottiche nel sistema è l'ODMR (= Optically Detected Magnetic Resonance) e consiste nei seguenti passaggi: -applicazione sul campione sotto esame di un campo di microonde a frequenza variabile ; -applicazione del campo elettrostatico mediante gli elettrodi grafitici; -uso del microscopio ottico confocale per monitorare le variazioni dell'intensità di fotoluminescenza. Quando la frequenza delle microonde raggiunge i valori di risonanza, lo stato elettronico cambia il sto stato di spin e genera un contra