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近年来，量子技术不断发展与演进，已经在朝量子集成及量子芯片领域发展，且目前已经在单光子检测器等器件中取得了重大进展，然而，在单光子源领域中却一直未有所突破。

通过纳米金刚石获得单光子源是众多有效解决方法之一，其原理为：利用氮原子及其间隙来替代金刚石晶格中的碳原子，即所谓的氮空位中心，在其间隙中包含未配对的电子，该电子可以与外部电子结合形成一个量子力学自旋系统，从而在被绿光照射时发出红色波长的单光子流。但与其他单光子源一样，都无法实现对这些空位中心进行大量并且彼此独立的操作。

为了实现这一目标，德国明斯特大学的Carsten Schuck等人通过一系列的研究与实验成功将几纳米大小的金刚石集成到了一个纳米光子集成网络中，并成功展示了可以单独操控每个金刚石独立地发射单光子流，如图1所示。

图1 纳米金刚石光子集成网络示意图

为了制备该光子网络，Carsten Schuck等人在硅衬底顶部的五氧化二钽薄膜上刻蚀了一系列的光子器件，其中每个光子器件都包含多个波导，并分别与光纤和具有空位中心的光子晶体腔相连。

此外为了制造晶体腔，研究人员首先在该芯片上涂覆了聚合物抗蚀剂；然后使用电子束光刻技术沿着五氧化二钽的锥形部分以固定的周期切割了宽为240 nm孔形阵列；最后，将直径为35 nm的人造金刚石填充到中心孔中（通过滴加含有“纳米金刚石”的去离子水溶液）完成晶体腔的制备。

Carsten Schuck等人用532 nm的激光分别以透镜入射和波导传输的方式对纳米金刚石腔进行照射，结果发现两种方式都会在705 nm附近观察到腔体发射的尖峰，并且还证明了发射的光子具备有单光子源的特性：发射的光子已经经历了反聚束作用，即两个光子之间的延迟几乎相等。

最后，研究人员发现该设备在一定频率的微波状态下时，氮空位中心的电子对进入一对简并态，从而导致在绿光照射下发射荧光的削弱。但是，如果将该设备放入磁场环境中，则简并状态会分裂，微波共振频率也会发生变化，因此可以将其用于磁场检测器中，但仍需对纳米金刚石腔进行深入的表征及校准。

研究人员补充道：“对于单个设备而言，空位中心越多其应用价值也就越大，比如多个空位中心会同时赋予脉冲激光器激活电子系统和记录发射状态的能力，并且对于两个间距较大的设备而言，还可以实现并行且独立的操控。” 他们认为，在不久的将来，他们的技术应该非常适合生产灵敏的量子磁力计。

来源：

https://www.osa-opn.org/home/newsroom/2020/december/nanodiamonds_show_promise_as_single-photon_sources/