Single-photon generation from defects and manipulation with nanostructures

Abstract

Tek-foton kaynakları, kuantum kriptolojisi ve kuantum hesaplama gibi kuantum bilgi teknolojileri alanındaki çeşitli uygulamalar için temel bileşendir. Bu amaçla, tek fotonlarınverimli bir şekilde üretilmesi ve tespit edilmesi çok önemlidir. Literatürde yoğun olarak incelenen tek-foton kaynakları arasında, katı ortamlardaki kusur merkezleri, oda sıcaklığındaki çalışmaları ve stabiliteleri nedeniyle oldukça ümit vericidir. Bu tezin amacı oda sıcaklığında tek-foton üretmek ve optik özelliklerini nanoyapılarla kontrol etmektir.TMDC'lerden lokalize zayıf bağlanmış eksitonlardan kaynaklanan tek-foton emisyonudüşük eksiton bağlanma enerjileri nedeniyle krayojenik sıcaklıklarda gözlenir. Bununla birlikte, WS2'den oda sıcaklığında tek-foton emisyonu, WO3 kusurları yaratılarak eldeedilebilir. Çalışmamızda, WO3'teki kusurlardan oda sıcaklığı emisyonu incelenmiştir.Yoğunluk fonksiyonel teorisi hesaplamaları, emisyon kaynağının oksijen kusuru olabileceğini göstermiştir. Ek olarak, emisyon şiddeti plazmonik altın nanoparçacıkları ile arttırıldığı gösterilmiştir. Ayrıca, iki boyutlu altıgen bor nitrürdeki (hBN) kusurlar, verimli bir oda sıcaklığı tek-foton kaynağıdır. HBN, kusur merkezlerinin tek-foton üretmek için kesikli enerjiseviyesi oluşturduğu geniş bir bant aralığına sahip bir malzemedir. Çalışmamızda, hBN'deki kusurlardan tersinir olarak tek-foton ışıması kontrolü, kaynak ile bir grafen katmanı arasındaki Förster benzeri rezonans enerji transferi ile gösterilmiştir. Bu amaçlaiyonik sıvı bazlı bir cihaz yapısı kullanılmıştır.

Single-photon sources are essential components for several applications in thefield of quantum information technologies, such as quantum cryptology and quantumcomputation. To this aim, efficient generation and detection of single-photons are thecrucial to be achieved. Among single-photon sources that are extensively studied in theliterature, defect centers in solid are very promising due to their room temperature operationand their stability. The aim of this thesis is to generate single photons at roomtemperature and control their optical properties by nanostructures.Single-photon emission from TMDCs originates from localized weakly bound excitonsat cryogenic temperatures due to their small exciton binding energies. However,room temperature SP emission from WS2 can be obtained by creating WO3 defects. In ourstudy, room temperature emission from defects in WO3 was investigated. Density functionaltheory calculations showed that the source of the emission can be oxygen defects.Additionally, the emission was brightened by plasmonic gold nanoparticles.Furthermore, defects in two-dimensional (2D) hexagonal boron nitride (hBN) isoffered as an efficient room temperature SPS. HBN is a wide bandgap 2D material,in which defect centers create discrete energy level to generate single photons. In ourstudy, reversible single-photon emission control from defects in hBN was demonstratedby Förster-like resonance energy transfer between the single-photon emitter and a graphenelayer. To this aim an ionic liquid based device structure was used.