In the recent past, high-refractive index nano- and micropillars have been widely used for significantly enhancing the fluorescence properties of quantum emitters embedded within the pillar. However, a complete study of the electromagnetic dynamics and nanophotonics of single-photon emission inside the high-refractive index nanopillars is currently missing. In order to design nano- and micropillars for the fluorescence enhancement of embedded quantum emitters, it is essential to understand their emission dynamics once single-photon emitters are embedded inside them. Here, both analytically and computationally, we study the electromagnetic dynamics of the nitrogen-vacancy (NCVSi) centers in silicon-carbide (SiC) micro-pillars due to their characteristic emission in the optical O-band telecommunication region (1260–1360 nm). For efficient micro-pillar design, the fluorescence enhancement was determined to increase by more than two orders of magnitude with the collection efficiency reaching about 40% from a very low value of ∼0.5% in bulk SiC. Presently, the enhancement achieved experimentally is limited to a factor of around 10–20. Our results are, therefore, expected to accelerate research in the field quantum emitters coupling to micro-pillars or micro-pillar photonics.

1.
S.
Scheel
,
J. Mod. Opt.
56
,
141
(
2009
).
2.
I.
Aharonovich
,
D.
Englund
, and
M.
Toth
,
Nat. Photonics
10
,
631
(
2016
).
3.
I.
Aharonovich
,
S.
Castelletto
,
D. A.
Simpson
,
C.-H.
Su
,
A. D.
Greentree
, and
S.
Prawer
,
Rep. Prog. Phys.
74
,
076501
(
2011
).
4.
M.
Radulaski
,
M.
Widmann
,
M.
Niethammer
,
J. L.
Zhang
,
S.-Y.
Lee
,
T.
Rendler
,
K. G.
Lagoudakis
,
N. T.
Son
,
E.
Janzén
,
T.
Ohshima
,
J.
Wrachtrup
, and
J.
Vučković
,
Nano Lett.
17
,
1782
(
2017
).
5.
A.
Lohrmann
,
B. C.
Johnson
,
J. C.
McCallum
, and
S.
Castelletto
,
Rep. Prog. Phys.
80
,
034502
(
2017
).
6.
S.
Castelletto
,
B. C.
Johnson
,
V.
Ivády
,
N.
Stavrias
,
T.
Umeda
,
A.
Gali
, and
T.
Ohshima
,
Nat. Mater.
13
,
151
(
2014
).
7.
M. W.
Doherty
,
N. B.
Manson
,
P.
Delaney
,
F.
Jelezko
,
J.
Wrachtrup
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rep.
528
,
1
(
2013
).
8.
L.
Li
,
E. H.
Chen
,
J.
Zheng
,
S. L.
Mouradian
,
F.
Dolde
,
T.
Schröder
,
S.
Karaveli
,
M. L.
Markham
,
D. J.
Twitchen
, and
D.
Englund
,
Nano Lett.
15
,
1493
(
2015
).
9.
M.
Atatüre
,
D.
Englund
,
N.
Vamivakas
,
S. Y.
Lee
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Rev. Mater.
3
,
38
(
2018
).
10.
F. A.
Inam
,
A. M.
Edmonds
,
M. J.
Steel
, and
S.
Castelletto
,
Appl. Phys. Lett.
102
,
253109
(
2013
).
11.
S.
Castelletto
,
J. P.
Harrison
,
L.
Marseglia
,
A. C.
Stanley-Clarke
,
B. C.
Gibson
,
B. A.
Fairchild
,
J. P.
Hadden
,
Y.-L. D.
Ho
,
M. P.
Hiscocks
,
K.
Ganesan
,
S. T.
Huntington
,
F.
Ladouceur
,
A. D.
Greentree
,
S.
Prawer
,
J. L.
O’Brien
, and
J. G.
Rarity
,
New J. Phys.
13
,
025020
(
2011
).
12.
L.
Marseglia
,
K.
Saha
,
A.
Ajoy
,
T.
Schröder
,
D.
Englund
,
F.
Jelezko
,
R.
Walsworth
,
J. L.
Pacheco
,
D. L.
Perry
,
E. S.
Bielejec
, and
P.
Cappellaro
,
Opt. Express
26
,
80
(
2018
).
13.
T. M.
Babinec
,
B. J. M.
Hausmann
,
M.
Khan
,
Y.
Zhang
,
J. R.
Maze
,
P. R.
Hemmer
, and
M.
Lončar
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
195
(
2010
).
14.
S.
Castelletto
,
A. S.
Al Atem
,
F. A.
Inam
,
H. J.
von Bardeleben
,
S.
Hameau
,
A. F.
Almutairi
,
G.
Guillot
,
S.
Sato
,
A.
Boretti
, and
J. M.
Bluet
,
Beilstein J. Nanotechnol.
10
,
2383
(
2019
).
15.
D. J.
McCloskey
,
N.
Dontschuk
,
D. A.
Broadway
,
A.
Nadarajah
,
A.
Stacey
,
J. P.
Tetienne
,
L. C. L.
Hollenberg
,
S.
Prawer
, and
D. A.
Simpson
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
13421
(
2020
).
16.
I.
Friedler
,
C.
Sauvan
,
J. P.
Hugonin
,
P.
Lalanne
,
J.
Claudon
, and
J. M.
Gérard
,
Opt. Express
17
,
2095
(
2009
).
17.
A.
Boretti
,
L.
Rosa
,
J.
Blackledge
, and
S.
Castelletto
,
Beilstein J. Nanotechnol.
10
,
2128
(
2019
).
18.
S. A.
Momenzadeh
,
R. J.
Stöhr
,
F. F.
De Oliveira
,
A.
Brunner
,
A.
Denisenko
,
S.
Yang
,
F.
Reinhard
, and
J.
Wrachtrup
,
Nano Lett.
15
,
165
(
2015
).
19.
E.
Neu
,
P.
Appel
,
M.
Ganzhorn
,
J.
Miguel-Sánchez
,
M.
Lesik
,
V.
Mille
,
V.
Jacques
,
A.
Tallaire
,
J.
Achard
, and
P.
Maletinsky
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
153108
(
2014
).
20.
S. W.
Jeon
,
J.
Lee
,
H.
Jung
,
S. W.
Han
,
Y. W.
Cho
,
Y. S.
Kim
,
H. T.
Lim
,
Y.
Kim
,
M.
Niethammer
,
W. C.
Lim
,
J.
Song
,
S.
Onoda
,
T.
Ohshima
,
R.
Reuter
,
A.
Denisenko
,
J.
Wrachtrup
, and
S. Y.
Lee
,
ACS Photonics
7
,
2739
(
2020
).
21.
G. M.
Akselrod
,
C.
Argyropoulos
,
T. B.
Hoang
,
C.
Ciracì
,
C.
Fang
,
J.
Huang
,
D. R.
Smith
, and
M. H.
Mikkelsen
,
Nat. Photonics
8
,
835
(
2014
).
22.
L.
Ferrari
,
D.
Lu
,
D.
Lepage
, and
Z.
Liu
,
Opt. Express
22
,
4301
(
2014
).
23.
T.
Ohshima
,
T.
Satoh
,
H.
Kraus
,
G. V.
Astakhov
,
V.
Dyakonov
, and
P. G.
Baranov
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
51
,
333002
(
2018
).
24.
J. F.
Wang
,
Z. H.
Liu
,
F. F.
Yan
,
Q.
Li
,
X. G.
Yang
,
L.
Guo
,
X.
Zhou
,
W.
Huang
,
J. S.
Xu
,
C. F.
Li
, and
G. C.
Guo
,
ACS Photonics
7
,
1611
(
2020
).
25.
Z.
Mu
,
S. A.
Zargaleh
,
H. J.
Von Bardeleben
,
J. E.
Fröch
,
M.
Nonahal
,
H.
Cai
,
X.
Yang
,
J.
Yang
,
X.
Li
,
I.
Aharonovich
, and
W.
Gao
,
Nano Lett.
20
,
6142
(
2020
).
26.
J. F.
Wang
,
F. F.
Yan
,
Q.
Li
,
Z. H.
Liu
,
H.
Liu
,
G. P.
Guo
,
L. P.
Guo
,
X.
Zhou
,
J. M.
Cui
,
J.
Wang
,
Z. Q.
Zhou
,
X. Y.
Xu
,
J. S.
Xu
,
C. F.
Li
, and
G. C.
Guo
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
223601
(
2020
).
27.
S.
Castelletto
and
A.
Boretti
,
J. Phys. Photonics
2
,
022001
(
2020
).
28.
D. J.
Christle
,
A. L.
Falk
,
P.
Andrich
,
P. V.
Klimov
,
J. U.
Hassan
,
N. T.
Son
,
E.
Janzén
,
T.
Ohshima
, and
D. D.
Awschalom
,
Nat. Mater.
14
,
160
(
2015
).
29.
M.
Widmann
,
S. Y.
Lee
,
T.
Rendler
,
N. T.
Son
,
H.
Fedder
,
S.
Paik
,
L. P.
Yang
,
N.
Zhao
,
S.
Yang
,
I.
Booker
,
A.
Denisenko
,
M.
Jamali
,
S.
Ali Momenzadeh
,
I.
Gerhardt
,
T.
Ohshima
,
A.
Gali
,
E.
Janzén
, and
J.
Wrachtrup
,
Nat. Mater.
14
,
164
(
2015
).
30.
W.
Lukosz
and
R. E.
Kunz
,
J. Opt. Soc. Am.
67
,
1607
(
1977
).
31.
W.
Lukosz
,
J. Opt. Soc. Am.
69
,
1495
(
1979
).
32.
W.
Lukosz
and
R. E.
Kunz
,
J. Opt. Soc. Am.
67
,
1615
(
1977
).
33.
K. H.
Tews
,
J. Lumin.
9
,
223
(
1974
).
34.
J. F.
Owen
,
P. W.
Barber
, and
R. K.
Chang
,
Opt. Lett.
6
,
540
(
1981
).
35.
R.
Alaee
,
C.
Rockstuhl
, and
I.
Fernandez-Corbaton
,
Opt. Commun.
407
,
17
(
2018
).
36.
C. F.
Bohren
and
D. R.
Huffman
,
Absorption and Scattering of Light by Small Particles
(
Wiley
,
1998
).
37.
M.
Kerker
,
The Scattering of Light and Other Electromagnetic Radiation
(
Academic Press
,
New York
,
1969
).
38.
L.
Novotny
and
B.
Hecht
,
Principles of Nano-Optics
(
Cambridge University Press
,
2012
).
39.
Y.
Xu
,
J. S.
Vučković
,
R. K.
Lee
,
O. J.
Painter
,
A.
Scherer
, and
A.
Yariv
,
J. Opt. Soc. Am. B
16
,
465
(
1999
).
40.
S.
Keyrouz
and
D.
Caratelli
,
Int. J. Antennas Propag.
2016
,
1
20
(
2016
).
41.
H.
Kraus
,
D.
Simin
,
C.
Kasper
,
Y.
Suda
,
S.
Kawabata
,
W.
Kada
,
T.
Honda
,
Y.
Hijikata
,
T.
Ohshima
,
V.
Dyakonov
, and
G. V.
Astakhov
,
Nano Lett.
17
,
2865
(
2017
).
42.
Y. C.
Chen
,
P. S.
Salter
,
M.
Niethammer
,
M.
Widmann
,
F.
Kaiser
,
R.
Nagy
,
N.
Morioka
,
C.
Babin
,
J.
Erlekampf
,
P.
Berwian
,
M. J.
Booth
, and
J.
Wrachtrup
,
Nano Lett.
19
,
2377
(
2019
).
43.
S.
Castelletto
,
J.
Maksimovic
,
T.
Katkus
,
T.
Ohshima
,
B. C.
Johnson
, and
S.
Juodkazis
,
Nanomaterials
11
,
72
(
2021
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.