MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798383226599
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI30996980
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aPederson,  Christian  Bernat.
■24510▼aCharge  and  Optical  Stability  of  Color  Centers  in  Diamond  for  Quantum  Applications
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Washington▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a177  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-01,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Fu,  Kai-Mei  C.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Washington,  2024.
■520    ▼aCertain  color  centers  in  wide-bandgap  semiconductors,  such  as  the  nitrogen-vacancy  (NV)  and  silicon-vacancy  (SiV)  centers  in  diamond,  possess  charge  states  that  combine  bright,  spin-selective  optical  transitions  with  relatively  long  spin  coherence  times.  Furthermore,  these  color  centers  exist  inside  a  solid-state  medium  which  enables  integration  in  various  device  geometries  for  a  wide  range  of  promising  quantum  technologies.Color  centers  can  serve  as  sub-nm  sensors  of  the  electric  fields,  magnetic  fields,  strain,  temperature,  and  electron  chemical  potential.  For  certain  color  centers,  their  electronic  structure  can  be  read  out  through  their  fluorescence.  Within  imperfect  crystals,  these  color  centers  can  be  indispensable  diagnostic  tools  of  the  crystal  quality.  In  high-quality  crystals  they  can  be  used  to  detect  magnetic  and  electric  fields  of  interest  that  originate  from  outside  the  diamond,  or  store  and  process  quantum  information  within  quantum  spin  registers  composed  of  electronic  and  nuclear  spins.  Furthermore  these  color  centers  are  natural  single  photon  emitters,  enabling  the  possibility  of  on-demand  single  photon  sources  for  secure  quantum  communication.  Combining  these  two  modalities,  quantum  processors  and  single  photon  emission,  enables  the  creation  of  delocalized  quantum  networks.Two  of  the  biggest  limitations  in  practical  implementations  of  these  technologies  are  charge  and  optical  frequency  instabilities.  Charge  instability  refers  to  undesirable  ionization  processes  where  color  centers  gain  or  lose  electrons,  losing  quantum  information  and  entering  optically  dark  states  in  the  process.  Even  among  color  centers  with  stable  charge  states  there  can  be  optical  frequency  instabilities,  a  failure  of  a  color  center  to  reliably  emit  at  a  fixed  frequency.  Both  of  these  effects  become  exacerbated  in  realistic  device  environments.In  Chapter  3,  we  discuss  measurements  correlating  the  charge  instabilities  and  optical  frequency  instabilities  to  the  diamond's  exposure  to  plasma  used  to  fabricate  photonic  structures.  We  then  demonstrate  that  photonic  structures  can  be  fabricated  without  exposing  the  diamond  to  plasma,  while  achieving  reasonable  color  center-cavity  coupling.  In  Chapter  4,  we  discuss  measurements  of  shallow  color  centers  formed  via  ion  implantation  and  annealing  to  investigate  the  remaining  sources  of  optical  frequency  instabilities.  This  correlated  study  of  many  color  centers  isolates  the  contributions  to  the  frequency  instabilities  caused  by  the  residual  damage  from  ion  implantation,  the  proximity  to  charge  traps  on  the  diamond  surface,  and  the  dynamic  charge  environment  created  during  optical  charge  re-pumping.  The  primary  contributions  to  the  frequency  instabilities  are  found  to  be  the  proximity  to  the  surface,  and  the  charge  re-pumping. In  Chapter  5,  we  discuss  the  mechanism  that  causes  the  chemical  treatment  of  the  diamond  surface,  specifically  oxidation  and  hydrogenation  treatments,  to  modify  the  charge  state  of  shallow  color  centers.  We  demonstrate  that  correlated  scanning  probe  microscopy  and  optical  spectroscopy  are  effective  techniques  for  imaging  these  chemically  distinct  surfaces  with  micron-scale  resolution,  and  the  effect  they  have  on  shallow  color  center's  charge  states.  We  then  develop  a  novel  surface  treatment  utilizing  focused  laser  light  which  combines  optical  spatial  resolution  and  dynamic  feedback  for  precise  surface  functionalization.  We  use  the  correlated  scanning  probe  and  optical  spectroscopy  measurements  to  identify  the  physical  mechanism  underlying  this  technique,  and  find  that  it  is  laser-assisted  oxidation.  Finally,  in  Chapter  6,  we  discuss  the  development  of  a  dynamic  charge  re-pump  scheme  using  above-bandgap  excitation  that  neutralizes  rather  than  charges  defects  in  an  effort  to  minimize  optical  frequency  instabilities.  We  demonstrate  through  optical  spectroscopy  that  the  neutralization  technique  works  on  the  two  most  commonly  used  optically-active  color  centers,  the  nitrogen-vacancy  and  silicon-vacancy  center  in  diamond.This  thesis  does  not  claim  to  solve  charge  and  optical  frequency  instabilities  which  remains  a  long-standing  and  challenging  goal  within  the  field.  However  the  tools  and  techniques  we  develop  are  significant  advancements  in  our  capabilities  to  stabilize  novel  color  centers,  understand  their  underlying  dynamics,  and  characterize  their  performance.  We  also  provide  insights  into  the  behavior  of  color  centers  in  wide-bandgap  semiconductors  where  deviations  from  thermal  equilibrium  can  be  exceptionally  long-lived.  The  exotic  charge  dynamics  in  realistic  crystal  environments  complicate  even  basic  observations,  but  future  mastery  over  these  exotic  effects  may  one  day  lead  to  brand-new  technologies  based  on  color  centers  in  wide-bandgap  semiconductors  like  diamond.
■590    ▼aSchool  code:  0250.
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■71020▼aUniversity  of  Washington▼bPhysics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-01B.
■790    ▼a0250
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17160483▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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