JP2013540198A - ダイヤモンド光学素子 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図1
Description
量子用途に適した材料を製造する上での大きな問題の1つは、量子ビットがデコヒーレンスするのを阻止することであり又は少なくとも、システムがデコヒーレンスするのに要する時間を長くすることである(即ち、「デコヒーレンス時間を長くする」)。長いT2時間は、例えば量子コンピュータ計算のような用途において望ましい。というのは、これにより、アレイ状に配置された量子ゲートの動作の時間を長くすることができ、かくして、複雑な量子コンピュータ計算を実施することができるからである。
第1の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により単結晶ダイヤモンド材料の第1の層を成長させるステップを有し、
第2の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により第1の層上に単結晶ダイヤモンド材料の第2の層を成長させるステップを有し、第2の窒素濃度は、第1の窒素濃度よりも低く、
第2の単結晶ダイヤモンド材料層の少なくとも一部分から光学素子を形成するステップを有し、
光の取り出しを増大させるために光学素子の表面のところに取り出し構造体を形成するステップを有し、
第1の単結晶ダイヤモンド材料層の成長は、窒素分子として計算して300ppb(十億分率)以上且つ5ppm(百万分率)以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われ、
第2の単結晶ダイヤモンド材料層の成長は、窒素分子として計算して0.001ppb以上且つ250ppb以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われることを特徴とする方法を提供することによって解決される。
第1の単一置換窒素濃度を有した単結晶ダイヤモンド材料の第1の部分を有し、
第1の部分に結合された単結晶ダイヤモンド材料の第2の部分を有し、第2の部分は、第1の単一置換窒素濃度よりも低い第2の単一置換窒素濃度を有し、
光学素子の表面のところに形成されていて、光の取り出しを増加させる取り出し構造体を有し、
第1の部分は、30ppb以上、50ppb以上、100ppb以上、200ppb以上、300ppb以上、500ppb以上、700ppb以上又は800ppb以上の単一置換窒素濃度及び0.3ppb以上、0.5ppb以上、1ppb以上、2ppb以上、3ppb以上、5ppb以上、7ppb又は8ppb以上のNV-濃度のうちの1つ又は2つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られ、
単結晶ダイヤモンド材料の第1の部分は、5ppm以下、2ppm以下又は1ppm以下の単一置換窒素濃度及び50ppb以下、20ppb以下又は10ppb以下のNV-濃度のうちの1つ又は2つ以上を有し、
単結晶ダイヤモンド材料の第2の部分は、20ppb以下、10ppb以下、5ppb以下、1ppb以下又は0.5ppb以下の単一置換窒素濃度、0.15ppb以下、0.1ppb以下、0.05ppb以下、0.001ppb以下、0.0001ppb以下又は0.00005ppb以下のNV-濃度及び0.9%以下、0.7%以下、0.4%以下、0.1%以下、0.01%以下又は0.001%以下の13Cの全濃度のうちの1つ又は2つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られていることを特徴とする光学素子が提供される。
(a)ダイヤモンドSILは、半球体、超半球体、切頭半球体、楕円体又は非球面形状を形成するのが良い。
(b)ダイヤモンドSILは、次の結晶面、即ち、{100};{110};{111};{113}のうちの1つによって、好ましくは{111}によって、上述の結晶面のうちの1つから10°、8°、5°、2°、1°又は0.5°の範囲内に形成された平坦な表面を有するのが良い。
(c)ダイヤモンドSILの少なくとも一部分は、15ppb以下、10ppb以下又は5ppb以下の単一置換窒素濃度、0.15ppb以下、0.1ppb以下、0.05ppb以下、0.001ppb以下、0.0001ppb以下又は0.00005ppb以下のNV-濃度及び0.7%以下、0.4%以下、0.1%以下、0.01%以下又は0.001%以下の13Cの全濃度のうちの1つ又は2つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で形成されるのが良い。
(d)ダイヤモンドSILは、0.05ms以上、0.1ms以上、0.3ms以上、0.6ms以上、1ms以上又は5ms以上のデコヒーレンス時間T2を有する1つ又は2つ以上の単一格子エミッタを更に有するのが良く、1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、NV-欠陥、Si737nm欠陥、Ni欠陥、Cr欠陥及びCo欠陥から成る群から選択されるのが良い。
(e)1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、単結晶ダイヤモンド材料の低N/低13C部分中に設けられると共にダイヤモンドSILの中心回転軸線から30μm以下、20μm以下、10μm以下又は5μm以下の側方距離のところに配置されるのが良い。
(f)ダイヤモンドSILは、単結晶ダイヤモンド材料の部分の平坦な側部に結合された単結晶ダイヤモンド材料の層を更に有するのが良く、1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、単結晶ダイヤモンド材料の層中に設けられるのが良い。
上式において、R<001>は、<001>方向における成長速度であり、R<111>は、<111>方向における成長速度である。パラメータαを特定のCVD反応器条件、例えば、ガス圧力、ガス温度、ガスの化学的組成(窒素濃度を含む)及び基体温度によって制御できる。したがって、被着されている単結晶ダイヤモンドの結晶方位(通常、基体の結晶方位によって決まる)を知ることによると共にαに影響を及ぼすCVD反応器条件のうちの1つを変化させることによって、被着されるダイヤモンドの幾何学的形状の進展に対して何らかの制御を及ぼすことができる。第1の成長段に関するパラメータαは、1.4〜2.6、1.6〜2.4、1.8〜2.2又は1.9〜2.1であるのが良い。
(i)凸面は、完全な球形セグメントからの山から谷までの最大偏差が約5μm以下、より好ましくは約3μm以下、更により好ましくは約2μm以下、より好ましくは約1.5μm以下、より好ましくは約1μm以下、より好ましくは約500nm以下、更により好ましくは300nm以下、より好ましくは約200nm以下、更により好ましくは約100nm以下、更により好ましくは約50nm以下、最も好ましくは20nm以下であるように球形セグメントを含む。
(ii)凸面は、球形セグメントを含み、球形セグメントの二乗平均(RMS)偏差が理想的な級から球形セグメントについて偏差の二乗について平均することにより測定して、約500nm以下、より好ましくは約210nm以下、より好ましくは約100nm以下、更により好ましくは約60nm以下、更により好ましくは約40nm以下、より好ましくは約20nm以下、最も好ましくは約10nm以下である。
(iii)凸面は、約30nm以下、好ましくは10nm、より好ましくは5nm、更により好ましくは3nm、より好ましくは1.5nmの二乗平均表面粗さ(アイ・エム・ハッチングス(I M Hutchings),「トライボロジー(Tribology)」,エドワード・アーノルド(Edward Arnold)出版,1992年,p8‐9に定義のRq)を有する。
(iv)凸面の曲率半径は、約20mm以下、好ましくは約10mm以下、より好ましくは5mm以下、更により好ましくは約2mm以下、更により好ましくは約1mm以下、更により好ましくは約0.5mm以下、更により好ましくは約0.2mm以下である。
(v)凸面は、約10°以上、好ましくは約20°以上、より好ましくは約40°以上、更により好ましくは約60°以上、より好ましくは約80°以上、更により好ましくは約90°以上、更により好ましくは約110°以上、より好ましくは約130°以上、最も好ましくは約160°以上の円錐半角を備えた球形セグメントを含む。
i)基体をレーザ切断して全て<100>エッジを備えたプレートを作製し、
ii)成長が起こる予定の主要表面をラップ仕上げすると共に研磨し、ラップ仕上げされると共に研磨された部分は、全ての結晶面{100}を備えた厚さ535μmの約3.6mm×3.6mmの寸法を有している。
上式において、θは、放出角度であり、φは、ダイポール軸から測定した方位角である。
上式において、θm=arcsin(NA/ηd)であり、但し、Ts及びTpは、それぞれ、インターフェースを介するs及びp偏光成分の透過係数である。かかる透過係数は、次のフレネルの式により与えられる。
上式において、I(t)は、時刻tにおけるPL強度である。図7eに示されているように、明白な自己相関効果g(2)(0)≒0.1が、ゼロ遅延で明らかにされ、この効果は、単一NV-欠陥に対処するシグナチュアである。
上式において、Psatは、飽和レーザ出力であり、R∞は、飽和状態における放出率である。ダイヤモンドSILを介して画像化された研究対象の単一NV-欠陥の場合、飽和パラメータは、R∞ SIL=493±5kcounts.s−1及びPsat SIL=61±1μWである。次に、同じ実験をSILの後側から画像化された即ち、平坦なダイヤモンド平面を介して画像化された単一NV-欠陥について実施した。この構成では、飽和パラメータは、R∞ noSIL=80±2kcounts.s−1及びPsat noSIL=1330±30μWである。
集光効率の向上を超えて、ダイヤモンドSILを介する励振に勝って励振レーザの良好な収束が行われ、かくして僅かな励振体積が得られることが注目された。確かに、飽和レーザ出力Psatは、ダイヤモンドSILを介して単一NV-欠陥を励起させながらほぼ一桁だけ減少する。この効果は、STED(stimulated emission depletion)顕微鏡との関係で興味深い用途を有する。というのは、STEDの解像力は、次式に比例するからである。
Claims (53)
- 光学素子の製造方法であって、前記方法は、
第1の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により単結晶ダイヤモンド材料の第1の層を成長させるステップを有し、
第2の窒素濃度を有する気相を用いて化学蒸着技術により前記第1の層上に単結晶ダイヤモンド材料の第2の層を成長させるステップを有し、前記第2の窒素濃度は、前記第1の窒素濃度よりも低く、
前記第2の単結晶ダイヤモンド材料層の少なくとも一部分から光学素子を形成するステップを有し、
光の取り出しを増大させるために前記光学素子の表面のところに取り出し構造体を形成するステップを有し、
前記第1の単結晶ダイヤモンド材料層の成長は、窒素分子として計算して300ppb(十億分率)以上且つ5ppm(百万分率)以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われ、
前記第2の単結晶ダイヤモンド材料層の成長は、窒素分子として計算して0.001ppb以上且つ250ppb以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われる、方法。 - 前記取り出し構造体は、前記光学素子の形成後に形成される、請求項1記載の方法。
- 前記取り出し構造体は、前記光学素子の形成中、前記光学素子を形成する前記ステップの一体部分として形成される、請求項1又は2記載の方法。
- 前記取り出し構造体は、前記光学素子のダイヤモンド表面中に形成され、それにより、前記取り出し構造体は、前記光学素子の前記ダイヤモンド表面により一体に形成される、請求項1〜3のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び/又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、次の結晶面、即ち、{100};{110};{111};{113}のうちの1つによって又は前記結晶面のうちの1つから10°、8°、5°、2°、1°又は0.5°の範囲内に形成される、請求項1〜4のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び/又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、{111}結晶面によって10°、8°、5°、2°、1°又は0.5°の範囲内に形成される、請求項5記載の方法。
- 前記取り出し構造体は、凸面、マイクロレンズアレイ、固体浸漬レンズ(SIL)、複数個の表面窪み又はナノ構造体、回折格子、フレネルレンズ及び例えば反射防止膜のような被膜のうちの1つ又は2つ以上から成る、請求項1〜6のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記光学素子は、前記第1の単結晶ダイヤモンド材料層を全く含まないで前記第2の単結晶ダイヤモンド材料層で作られている、請求項1〜7のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記光学素子は、前記第1の層と前記第2の層の両方の少なくとも一部分で作られている、請求項1〜7のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記取り出し構造体は、少なくとも一部が、前記第1の単結晶ダイヤモンド材料層で作られた前記光学素子の前記部分に形成される、請求項9記載の方法。
- 前記第1の層は、0.25mm以上、0.5mm以上、1mm以上、1.25mm以上、1.5mm以上、2mm以上又は5mm以上の厚さまで成長させられる、請求項1〜10のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記第1の層は、アスペクト比が少なくとも1.3:1の成長面を有する単結晶ダイヤモンド基体上に成長させられる、請求項1〜11のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記第2の層は、0.1μm以上、1μm以上、10μm以上、100μm以上、200μm以上、500μm以上又は1mm以上の厚さまで成長させられる、請求項1〜12のうちいずれか一に記載の方法。
- 1つ又は2つ以上の単一格子エミッタが前記第2の単結晶ダイヤモンド材料層中に成長させられる、請求項1〜13のうちいずれか一に記載の方法。
- 1つ又は2つ以上の単一格子エミッタを成長後に前記第2の単結晶ダイヤモンド材料層中に打ち込むステップを更に有する、請求項1〜13のうちいずれか一に記載の方法。
- 第3の単結晶ダイヤモンド材料層が化学蒸着技術を介して前記第2の層上に成長させられる、請求項1〜15のうちいずれか一に記載の方法。
- 1つ又は2つ以上の単一格子エミッタが前記第3の単結晶ダイヤモンド材料層中に成長させられる、請求項16記載の方法。
- 前記1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、前記第1の層から0.1μm、1μm、10μm、100μm、200μm又は500μm以上の距離を置いたところに配置される、請求項14〜17のうちいずれか一に記載の方法。
- 前記第2の層は、炭素原料ガスを含む気相を用いて成長させられ、前記炭素原料ガスは、前記炭素原料ガスの全C含有量のうちの少なくとも99%の量の12Cを含む、請求項1〜18のうちいずれか一に記載の方法。
- 光学素子であって、
第1の単一置換窒素濃度を有した単結晶ダイヤモンド材料の第1の部分を有し、
前記第1の部分に結合された単結晶ダイヤモンド材料の第2の部分を有し、前記第2の部分は、前記第1の単一置換窒素濃度よりも低い第2の単一置換窒素濃度を有し、
前記光学素子の表面のところに形成されていて、光の取り出しを増加させる取り出し構造体を有し、
前記第1の部分は、30ppb以上、50ppb以上、100ppb以上、200ppb以上、300ppb以上、500ppb以上、700ppb以上又は800ppb以上の単一置換窒素濃度及び0.3ppb以上、0.5ppb以上、1ppb以上、2ppb以上、3ppb以上、5ppb以上、7ppb又は8ppb以上のNV-濃度のうちの1つ又は2つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られ、
前記単結晶ダイヤモンド材料の第1の部分は、5ppm以下、2ppm以下又は1ppm以下の単一置換窒素濃度及び50ppb以下、20ppb以下又は10ppb以下のNV-濃度のうちの1つ又は2つ以上を有し、
前記単結晶ダイヤモンド材料の第2の部分は、20ppb以下、10ppb以下、5ppb以下、1ppb以下又は0.5ppb以下の単一置換窒素濃度、0.15ppb以下、0.1ppb以下、0.05ppb以下、0.001ppb以下、0.0001ppb以下又は0.00005ppb以下のNV-濃度及び0.9%以下、0.7%以下、0.4%以下、0.1%以下、0.01%以下又は0.001%以下の13Cの全濃度のうちの1つ又は2つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で作られている、光学素子。 - 前記取り出し構造体は、前記光学素子のダイヤモンド表面中に形成され、それにより、前記取り出し構造体は、前記光学素子の前記ダイヤモンド表面により一体に形成さていれる、請求項20記載の光学素子。
- 前記取り出し構造体の少なくとも一部分は、前記単結晶ダイヤモンド材料の第1の部分中に一体に形成されている、請求項20記載の光学素子。
- 前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び/又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、次の結晶面、即ち、{100};{110};{111};{113}のうちの1つによって又は前記結晶面のうちの1つから10°、8°、5°、2°、1°又は0.5°の範囲内に形成されている、請求項20〜22のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記取り出し構造体が形成される前記光学素子の前記表面及び/又は前記表面と反対側の前記光学素子の表面は、{111}結晶面によって10°、8°、5°、2°、1°又は0.5°の範囲内に形成されている、請求項23記載の光学素子。
- 前記取り出し構造体は、凸面、マイクロレンズアレイ、固体浸漬レンズ(SIL)、複数個の表面窪み又はナノ構造体、回折格子、フレネルレンズ及び例えば反射防止膜のような被膜のうちの1つ又は2つ以上から成る、請求項20〜24のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記第2の部分は、0.1μm以上、1μm以上、10μm以上、100μm以上、200μm以上又は500μm以上の厚さを有する層から成る、請求項20〜25のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記第1の部分は、前記第2の部分の単一置換窒素濃度の少なくとも5倍、10倍、20倍、50倍、100倍、500倍、1000倍又は10000倍の単一置換窒素濃度を有する、請求項20〜26のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記第1の部分は、0.9%を超える13Cの全濃度を有する、請求項20〜27のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記第1の部分は、12Cに対して13Cの自然同位体存在度を有する、請求項28記載の光学素子。
- 前記光学素子は、前記第1の部分と前記第2の部分の両方を含む単結晶ダイヤモンドで作られ、前記第1の部分と前記第2の部分は、前記単結晶ダイヤモンド中に組み込まれることによって互いに結合されている、請求項20〜29のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記第1の部分と前記第2の部分は、ファンデンワールス力により、クランプ装置により又は前記第1の部分と前記第2の部分との間に設けられた中間接着剤を介して互いに結合された別個独立の単一結晶である、請求項20〜30のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記取り出し構造体は、前記単結晶ダイヤモンド材料の第1の部分及び前記単結晶ダイヤモンド材料の第2の部分によって形成された凸面であり、前記第1の部分は、球形キャップを形成し、前記第2の部分は、球形セグメントを形成している、請求項20〜31のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記取り出し構造体は、固体浸漬レンズ(SIL)を形成している、請求項32記載の光学素子。
- 前記SILは、半球体、超半球体、切頭半球体、楕円体又は非球面形状を形成している、請求項33記載の光学素子。
- 0.05ms以上、0.1ms以上、0.3ms以上、0.6ms以上、1ms以上又は5ms以上のデコヒーレンス時間T2を有する1つ又は2つ以上の単一格子エミッタを更に有する、請求項20〜34のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、NV-欠陥、Si関連欠陥、Ni関連欠陥及びCr関連欠陥から成る群から選択される、請求項35記載の光学素子。
- 前記1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、前記単結晶ダイヤモンド材料の第2の部分中に設けられている、請求項20〜36のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記第1の部分と反対側で前記第2の部分に結合された単結晶ダイヤモンド材料の第3の部分を更に有する、請求項20〜37のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 前記1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、前記第3の部分中に設けられている、請求項38記載の光学素子。
- 前記光学素子は、自立型光学素子である、請求項20〜39のうちいずれか一に記載の光学素子。
- ブラッグミラーが前記第1の部分と反対の前記第2の部分の側部に設けられている、請求項20〜40のうちいずれか一に記載の光学素子。
- 単結晶ダイヤモンド材料の少なくとも一部分を有するダイヤモンド固体浸漬レンズ(SIL)であって、前記単結晶ダイヤモンド材料は、20ppb以下の単一置換窒素濃度及び0.9%以下の13Cの全濃度のうちの一方又は両方を有する、ダイヤモンドSIL。
- 前記ダイヤモンドSILは、本質的に、前記単結晶ダイヤモンド材料の部分から成る、請求項42記載のダイヤモンドSIL。
- 前記ダイヤモンドSILは、半球体、超半球体、切頭半球体、楕円体又は非球面形状を形成している、請求項42又は43記載のダイヤモンドSIL。
- 前記ダイヤモンドSILは、次の結晶面、即ち、{100};{110};{111};{113}のうちの1つによって前記結晶面のうちの1つから10°、8°、5°、2°、1°又は0.5°の範囲内に形成された平坦な表面を有する、請求項42〜44のうちいずれか一に記載のダイヤモンドSIL。
- 前記平坦な表面は、{111}結晶面によって10°、8°、5°、2°、1°又は0.5°の範囲内に形成される、請求項45記載のダイヤモンドSIL。
- 前記単結晶ダイヤモンド材料の前記部分は、15ppb以下、10ppb以下又は5ppb以下の単一置換窒素濃度、0.15ppb以下、0.1ppb以下、0.05ppb以下、0.001ppb以下、0.0001ppb以下又は0.00005ppb以下のNV-濃度及び0.7%以下、0.4%以下、0.1%以下、0.01%以下又は0.001%以下の13Cの全濃度のうちの1つ又は2つ以上を有する、請求項42〜46のうちいずれか一に記載のダイヤモンドSIL。
- 0.05ms以上、0.1ms以上、0.3ms以上、0.6ms以上、1ms以上又は5ms以上のデコヒーレンス時間T2を有する1つ又は2つ以上の単一格子エミッタを更に有する、請求項42〜47のうちいずれか一に記載のダイヤモンドSIL。
- 前記1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、NV-欠陥、Si737nm欠陥、Ni欠陥、Cr欠陥及びCo欠陥から成る群から選択される、請求項48記載のダイヤモンドSIL。
- 前記1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、前記単結晶ダイヤモンド材料の前記部分中に設けられている、請求項48又は49記載のダイヤモンドSIL。
- 少なくとも1つの単一格子エミッタは、前記ダイヤモンドSILの中心回転軸線から30μm以下、20μm以下、10μm以下又は5μm以下の側方距離のところに配置されている、請求項48〜50のうちいずれか一に記載のダイヤモンドSIL。
- 前記単結晶ダイヤモンド材料の部分の平坦な側部に結合された単結晶ダイヤモンド材料の層を更に有する、請求項42〜51のうちいずれか一に記載のダイヤモンドSIL。
- 前記1つ又は2つ以上の単一格子エミッタは、前記単結晶ダイヤモンド材料の層中に設けられている、請求項52記載のダイヤモンドSIL。
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