Impact of surface and laser-induced noise on the spectral stability of implanted nitrogen-vacancy centers in diamond

离子注入 钻石 材料科学 空位缺陷 离子 原子物理学 相干时间 退火(玻璃) 光电子学 物理 凝聚态物理 光学 激光器 量子力学 复合材料
作者
Srivatsa Chakravarthi,Christian Pederson,Zeeshawn Kazi,A. D. Ivanov,Kai‐Mei C. Fu
出处
期刊:Physical review [American Physical Society]
卷期号:104 (8) 被引量:25
标识
DOI:10.1103/physrevb.104.085425
摘要

Scalable realizations of quantum network technologies utilizing the nitrogen vacancy center in diamond require creation of optically coherent NV centers in close proximity to a surface for coupling to optical structures. We create single NV centers by $^{15}$N ion implantation and high-temperature vacuum annealing. Origin of the NV centers is established by optically detected magnetic resonance spectroscopy for nitrogen isotope identification. Near lifetime-limited optical linewidths ($<$ 60 MHz) are observed for the majority of the normal-implant (7$^\circ$, $\approx$ 100 nm deep) $^{15}$NV centers. Long-term stability of the NV$^-$ charge state and emission frequency is demonstrated. The effect of NV-surface interaction is investigated by varying the implantation angle for a fixed ion-energy, and thus lattice damage profile. In contrast to the normal implant condition, NVs from an oblique-implant (85$^\circ$, $\approx$ 20 nm deep) exhibit substantially reduced optical coherence. Our results imply that the surface is a larger source of perturbation than implantation damage for shallow implanted NVs. This work supports the viability of ion implantation for formation of optically stable NV centers. However, careful surface preparation will be necessary for scalable defect engineering.
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