量子發射器可以通過低損耗等離子體配置集成在單片納米級等離子體電路中，以將光限制在遠低於衍射極限的範圍內。在集成量子等離子體激元中，基於表面等離子體激元（SPP）模式的波導沿著金屬 - 電介質或金屬 - 空氣界面傳播電磁波優於基於電介質（因此衍射限制）的光子波導。觀察是對於可賽爾增強從嵌入式量子發射器和向發展的趨勢芯片上的集成和小型化實現光信號處理和集成電路。已經開發了不同的金屬 - 電介質配置，用於在單光子尺度上的強光 - 物質相互作用，以支持限制在衍射極限之外的等離子體模式的傳播。該物業可以使獨特的前景設計出具有納米級分辨率的高度集成的光子信號處理系統，傳感器和光學成像技術。
與其他混合量子系統相比，GeV-DLSPPW平臺的效率，a）觀察到DLSPPW耦合GeV中心的模擬等離子體衰減速率的依賴性。插圖顯示了位於DLSPPW波導內的y取向偶極發射器的橫截面，b）納米金剛石內GeV中心內部分佈的發射效率（β因子）的分佈曲線，其中每個彩色正方形代表相應的面內偶極子位置的中心值，c）與其他量子發射體等離子體波導（QE PW）混合系統相比，AgV晶體上GeV-DLSPPW的混合量子等離子體系統的品質因數（FOM）和傳輸長度。圖片來源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。
過去創建的各種基於SPP的結構包括金屬納米線（NW），平行NW，V形槽（VG）和楔形波導，它們已經展示了用於潛在量子應用的單一等離子體引導。由於若干挑戰，包括SPP模式的高傳播損耗和對單量子發射器的有限控制，這種集成量子光子學的實際實現仍然是難以捉摸的。最近，研究納米制造的低損耗，介電負載SPP波導（DLSPPW）構造在銀膜上，用於由嵌入式納米金剛石和氮空位中心組成的簡單量子等離子體電路。
現在，在光學科學和應用領域寫作，Hamidreza Siampour及其同事通過演示單光子源和等離子體 波導之間的片上耦合，在集成量子等離子體學領域向前邁出了一步。在這種方法中，物理學家設計了納米金剛石具有發射單光子的鍺空位（GeV）中心，嵌入在由使用電子束光刻製造的銀層頂上的介電氫倍半硅氧烷（HSQ）組成的等離子體波導內。當綠色激光（532nm）通過光柵耦合器耦合到波導的一端以傳播到納米金剛石時，它激發GeV中心，其發射單個光子，其耦合到波導的等離子體模式。在這項工作中，研究人員實現了長波導傳輸長度（33μm）和高效耦合（56％），從而開闢了基於芯片的量子電路開發的新途徑。
沿著低損耗等離子體波導傳輸綠色激光（532nm），a）單晶片（頂部）的SEM圖像和在Ag板頂部製造的DLSPP波導（底部），b）用於波導的光學表徵532nm激光的平行（頂部）和垂直（底部）偏振，c）Ag片上不同長度的製造波導的明場顯微鏡圖像（插圖顯示了使用的波導末端的光柵耦合器的圖像）為了最大化DLSPPW的耦合效率，d）在532nm的Ag薄片上測量DLSPPW的傳播長度為11.8μm。圖片來源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。
該研究首次詳細介紹了GeV納米金剛石的合成和表徵。納米金剛石採用高壓高溫（HPHT）法生產; Ge在成長過程中被引入以整合單個GeV中心。科學家們提出並展示了使用DLSPPW進行納米加工的混合方法，該方法採用單銀（Ag）晶體結構，與其他技術製造的Ag薄膜相比，顯著降低了SPP阻尼率。該方法有助於在結合在等離子體芯片內的納米金剛石中的GeV中心的激發和發射波長處的足夠長的SPP傳播。
使用掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）在原始樣品中觀察合成的GeV納米和微米金剛石的結構。將合成的納米金剛石旋塗在Ag塗覆的硅晶片上，並用共聚焦熒光顯微鏡掃描。測量數據表明基於納米金剛石中的單個GeV中心的超亮，光譜窄且穩定的單光子源，適用於高度集成的電路。使用檢測器中的分析儀測量GeV納米金剛石的偏振特性，以確定在表面平面上發射的單光子的投射。針對單個GeV納米金剛石測量的數據符合基於週期表中第IV族元素的金剛石色心的模型極化特徵（例如硅空位SiV）
納米金剛石的表徵：a）HPHT合成後原始樣品的GeV納米和微金剛石的SEM圖像，可以看到TEM圖像。b）Ge原子位於兩個空晶格位置的中間，包括反轉對稱性，c）系統包括電子結構和類似於IV族鑽石顏色中心族的光學躍遷，d）標準化光子速率為Ag平面中的單個GeV納米金剛石與分析儀角度，測量（點）和模型擬合（實心）。圖片來源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。
觀察到的金剛石納米晶體中單光子發射的能力可以實現混合量子等離子體系統，其可以促進結合在等離子體芯片中的GeV中心的遠程激發。Siampour等人。與其他混合量子等離子體系統相比，優雅地展示了GeV-DLSPPW系統的高效遠程交付。一個特殊的優值的180（FOM）顯露在研究由於?六倍賽爾增強，56％耦合在一個波長（效率和?33微米的傳輸長度λ的602納米）。
電子束光刻用於在Ag塗覆的基底上製造具有HSQ抗蝕劑的波導，以包含具有單個GeV中心的納米金剛石 - 通過受控放置添加到裝置中。該技術提供了~30 nm的精確放置，通過SEM成像觀察得到增強，受到納米金剛石尺寸的限制，使用現有的金剛石合成技術可以製造低至1 nm。在通過綠色泵浦激光器激發納米金剛石後，用原子力顯微鏡（AFM）和電荷耦合器件（CCD）相機觀察製造的波導。
單個GeV納米金剛石（ND）的片上激發通過受控放置分配在Ag薄膜頂部用氫倍半硅氧烷（HSQ）製造的裝置中a）樣品佈局和嵌入等離子體波導中的GeV納米金剛石的直接激發的工作原理， b）製造的波導的AFM圖像（左），納米金剛石被激發的整個結構的CCD圖像（右）。三個點ND，A和B顯示GeV發射器（ND）的激發和發射以及GeV與DLSPPW模式的耦合，來自兩端（A和B）的傳播和外耦合輻射。圖片來源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。
此外，作者使用單晶Ag薄片代替Ag薄膜來顯著增強DLSPPW傳播長度。通過DLSPPW模式傳輸的綠色激光在光學上表徵為沿波導軸的偏振。測量幾個不同長度的波導的透射率，以顯示通過低損耗DLSPPW的綠色激光的非常傳播長度（~11.8μm）。
用於納米金剛石的片上激發的器件佈局和工作原理的示意圖。納米金剛石攜帶嵌入DLSPP波導中的光譜窄的單GeV量子發射器。圖片來源：Light Science＆Applications，doi：10.1038 / s41377-018-0062-5。
使用類似的設置，科學家們開始演示並確認與DLSPPW模式耦合的GeV中心的遠程激發。隨後，使用有限元建模（FEM）方法模擬GeV衰減速率，並且與其在真空中的發射相比，預測波導中的GeV中心的衰減率高達四倍。與先前演示的系統相比，該系統表現出優異的性能，通過使用更大的折射率電介質如二氧化鈦（TiO 2），在未來的研究中可以進一步增強觀察到的Purcell因子。
該研究開闢了將激發激光器，量子發射器和等離子體電路集成到同一芯片上的方法。先前的策略已經證明在芯片上檢測到單個等離子體和雙等離子體干擾。通過在單個芯片上結合所有這三種技術，作者設想在不久的將來可以在芯片上集成量子等離子體電路的所有元素。
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