Optical properties of Germanium-Vacancy centers in diamonds produced by ion implantation and annealing treatment

A solid-state system combining a stable spin degree of freedom with an efficient optical interface is highly desirable as an element for integrated quantum optical and quantum information systems. Due to their properties, negatively charged group-IV color centers in diamond are appealing for quantum communication and computing purposes. In particular, Germanium-Vacancy centers are bright color centers in diamond with significant optical properties and controllable electronic spin states. They have remarkable features, such as large ground state splitting, high fluorescence yield and long coherence time at cryogenic temperatures. Moreover, they are promising candidates for integration with nanophotonic devices. One reliable technique to produce Germanium-Vacancy centers in diamond is ion implantation, followed by annealing treatment. However, implantation introduces lattice damage, which influences the properties of Germanium-Vacancy. Annealing treatment after implantation can be utilized to recover the damage. A critical challenge lies in identifying effective annealing parameters to repair the lattice. In the present work, an optical spectroscopy study of Germanium-Vacancy color centers is presented. The impact of annealing conditions, i.e., temperature and duration of the treatment, and implantation parameters on the optical properties of the formed centers is discussed.

Un sistema a stato solido che combini un grado di libertà di spin stabile con un’interfaccia ottica efficiente è altamente auspicabile come elemento per sistemi integrati di ottica quantistica e di informazione quantistica. Grazie alle loro proprietà, i centri di colore del gruppo IV carichi negativamente nel diamante sono interessanti per scopi di comunicazione e informatica quantistica. In particolare, i centri Germanio-Vacanza sono centri di colore brillanti nel diamante con proprietà ottiche significative e stati elettronici di spin controllabili. Hanno caratteristiche notevoli, come ampia separazione dello stato fondamentale, elevato rendimento di fluorescenza e lungo tempo di coerenza a temperature criogeniche. Inoltre, sono candidati promettenti per l’integrazione con dispositivi nanofotonici. Una tecnica affidabile per produrre centri Germanio-Vacanza nel diamante è l’impiantazione ionica, seguita da un trattamento di ricottura. Tuttavia, il processo di impiantazione ionica introduce danni nel reticolo, che influiscono sulle proprietà dei centri Germanio-Vacanza. Il trattamento di ricottura seguente all’impiantazione può essere utilizzato per riparare tali danni. Una sfida critica consiste nell’individuare parametri di ricottura efficaci per riparare il reticolo. Nel presente lavoro viene presentato uno studio di spettroscopia ottica di centri di colore Germanio-Vacanza. Viene discusso l’impatto delle condizioni di ricottura, cioè temperatura e durata del trattamento, e dei parametri di impiantazione ionica sulle proprietà ottiche dei centri formati.