GaN Nanowire Arrays for Efficient Optical Read-Out and Optoelectronic Control of NV Centers in Diamond

钻石 光电子学 纳米线 材料科学 半导体 光子学 发光二极管 二极管 复合材料
作者
Martin Hetzl,Jakob Wierzbowski,Theresa Hoffmann,Max Kraut,Verena Zuerbig,Christoph E. Nebel,Kai Müller,Jonathan J. Finley,M. Stutzmann
出处
期刊:Nano Letters [American Chemical Society]
卷期号:18 (6): 3651-3660 被引量:18
标识
DOI:10.1021/acs.nanolett.8b00763
摘要

Solid-state quantum emitters embedded in a semiconductor crystal environment are potentially scalable platforms for quantum optical networks operated at room temperature. Prominent representatives are nitrogen-vacancy (NV) centers in diamond showing coherent entanglement and interference with each other. However, these emitters suffer from inefficient optical outcoupling from the diamond and from fluctuations of their charge state. Here, we demonstrate the implementation of regular n-type gallium nitride nanowire arrays on diamond as photonic waveguides to tailor the emission direction of surface-near NV centers and to electrically control their charge state in a p-i-n nanodiode. We show that the electrical excitation of single NV centers in such a diode can efficiently replace optical pumping. By the engineering of the array parameters, we find an optical read-out efficiency enhanced by a factor of 10 and predict a lateral NV-NV coupling 3 orders of magnitude stronger through evanescently coupled nanowire antennas compared to planar diamond not covered by nanowires, which opens up new possibilities for large-scale on-chip quantum-computing applications.
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